ДНК-оригами нанотурбина открывает новые горизонты для наномоторов
Международная группа исследователей под руководством профессора Сеса Деккера из Делфтского технического университета представила прорывную разработку в мире наномоторов — нанотурбину из ДНК-оригами. Это наноразмерное устройство может ознаменовать смену парадигмы, используя энергию ионных градиентов или электрического потенциала на твердотельной нанопоре для приведения турбины в механическое вращение.
Суть открытия — в проектировании, сборке и управляемом движении турбины из ДНК-оригами с тремя хиральными лопастями. Вся конструкция размером 25 нанометров работает в твердотельной нанопоре. Создав две хиральные турбины, исследователи получили возможность контролировать направление вращения — по или против часовой стрелки. Результаты опубликованы в Nature Nanotechnology.
Нанотурбины: Сердце прогресса
Потоковые турбины лежат в основе многих революционных машин, от ветряных мельниц до самолетов. Даже сама жизнь критически зависит от турбин, таких как FoF1-АТФ-синтаза, производящая топливо для клеток, или мотор бактериального жгутика.
«Ротор нашей нанотурбины диаметром 25 нанометров сделан из ДНК, а его лопасти имеют правую или левую хиральность для контроля направления вращения. Чтобы привести её в действие, конструкция помещается в сильный поток воды, создаваемый электрическим полем или разницей концентрации соли через нанопору в тонкой мембране. Мы использовали турбину для вращения жесткого стержня со скоростью до 10 оборотов в секунду», — говорит Синь Ши, ведущий автор статьи.
Уникальное открытие
Одно из самых интригующих открытий — уникальный характер вращения нанотурбины. Её поведение зависит от концентрации ионов, позволяя одной и той же турбине вращаться в любом направлении в зависимости от концентрации ионов Na+ в растворе.
Эта особенность, присущая только наномасштабу, является результатом сложного взаимодействия ионов, воды и ДНК. Выводы подтверждены обширным молекулярным моделированием группы Алексея Аксиментьева из Университета Иллинойса и теоретическими моделями Рамина Голестаняна из MPI в Гёттингене.
ДНК-оригами
«Вместе с коллегами из лаборатории Хендрика Дитца в Мюнхенском техническом университете мы использовали идеи из нашей предыдущей работы над ДНК-роторными моторами, чтобы создать турбину с полным контролем над её дизайном и работой», — поясняет Сис Деккер, руководивший исследованием.
Метод «ДНК-оригами» использует специфические взаимодействия комплементарных пар оснований ДНК для создания динамических 3D-нанообъектов. Такой дизайн позволяет контролировать направление вращения турбины в нанопорах через хиральность лопастей и легко интегрировать турбину с другими наномашинами.
Новый шаг к активным трансмембранным наномашинам
Эта работа следует за представленным в прошлом году активным ДНК-наноротором — самонастраивающимся устройством, способным преобразовывать энергию электрических или солевых градиентов в механическую работу.
«Мы раскрыли фундаментальные принципы, лежащие в основе приведения в движение наноразмерного ротора с помощью воды и соли в нанопорах. Нынешний прорыв, основанный на рациональном дизайне, знаменует следующий этап нашего пути», — говорит Синь Ши.
Принципы из предыдущей работы в сочетании с инновациями этой закладывают основу для будущего биомиметических трансмембранных машин, способных использовать энергию градиентов соли — важнейший источник энергии для биологических моторов.