Motor listrik pertama yang terbuat dari DNA – ratchet molekuler yang mengubah energi listrik menjadi gerakan berputar

Materi genetik sebagai pendorong: Untuk pertama kalinya, para ilmuwan mengubah molekul DNA menjadi motor listrik dalam skala nano. Untuk melakukan ini, mereka mengumpulkan beberapa untai DNA sedemikian rupa sehingga mereka membentuk basis dengan lengan yang berputar. Jika tegangan diterapkan sekarang, rotor DNA mulai bergerak dan berputar ke satu arah, para peneliti melaporkan dalam jurnal Nature. Aktuator nanoelektrik baru membuka kemungkinan untuk mendorong proses nano dan reaksi kimia dengan cara baru.

Mesin telah membuat umat manusia tidak beraksi selama berabad-abad sekarang. Tugas utama mereka adalah mengubah berbagai bentuk energi menjadi gerakan – bahkan dalam skala terkecil. di sana sekarang nanomotorshanya ini Ukuran satu nanometer Mereka dan mereka yang Konstruksi DNA dari molekul genetik telah menjadi. Namun, yang terakhir sejauh ini hanya mampu menghasilkan gerakan dari energi kimia – bukan dari energi listrik.

Origami dengan molekul materi genetik

Sebuah tim yang dipimpin oleh penulis pertama Anna Katharina Bohm dari Technical University of Munich telah membangun motor listrik skala nano yang efisien yang terbuat dari DNA. Untuk merakit motor molekuler, para ilmuwan menggunakan apa yang dikenal sebagai origami DNA. Dengan metode konstruksi ini, beberapa untaian tunggal panjang bahan genetik berfungsi sebagai struktur utama, tempat bagian DNA komplementer melekat. Urutan molekul dipilih sedemikian rupa sehingga menghasilkan struktur perlekatan dan lipatan yang diinginkan.

“Kami telah bekerja dengan cara ini selama bertahun-tahun dan sekarang dapat mengembangkan organisme yang sangat tepat dan kompleks seperti sakelar molekuler dan badan berongga yang dapat menangkap virus. Penulis senior Hendrik Dietz dari Technical University of Munich menjelaskan: “Jika Anda meletakkan untaian DNA bersama-sama dengan urutan yang sesuai dalam solusi, hal-hal mengumpul dengan sendirinya”.

dasar, platform, putar

Para peneliti menggunakan teknologi origami untuk membangun tiga komponen mesin DNA baru. Ini didasarkan pada alas setinggi sekitar 40 nanometer, yang dipasang pada pelat kaca dengan bantuan polietilen glikol. Platform DNA setebal 13 nm kemudian dilekatkan pada kaki, dan alasnya dilekatkan pada lengan berputar 500 nm yang terbuat dari DNA. Struktur elemen perantara bertanggung jawab atas fungsi motor.

Pada dasarnya, mesin DNA bertindak sebagai semacam ratchet. Hambatan di idler membatasi rotasi lengan putar. Tanpa sumber daya yang pasti, bagian yang bergerak bergerak secara acak dan tidak terkendali, karena hanya dipengaruhi oleh tumbukan dengan molekul pelarut. Namun, setelah tegangan AC diterapkan di dua elektroda, lengan berputar dengan cara yang ditargetkan dan terus menerus ke arah yang diinginkan. Akhirnya, para ilmuwan dapat mempengaruhi kecepatan dan arah rotasi melalui arah medan dan frekuensi dan amplitudo tegangan.

Keterampilan teknis yang tak tertandingi

“Mesin baru ini memiliki kemampuan mekanis yang tak tertandingi,” kata rekan penulis Ramin Golestanian dari Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization di Göttingen. “Itu dapat mencapai torsi di urutan 10 pN. Ini dapat menghasilkan lebih banyak energi per detik daripada yang dilepaskan dengan membelah dua molekul ATP.

Para ilmuwan berharap mesin yang mereka kembangkan akan melakukan tugas teknis tertentu di masa depan, seperti mengubah energi listrik menjadi energi kimia. Kita dapat menggunakannya untuk mendorong reaksi kimia di sepanjang jalur produksi ATP. Misalnya, permukaan dapat dilapisi rapat dengan aktuator seperti itu,” jelas Dietz. “Kemudian Anda menambahkan bahan mentah, menerapkan sedikit daya AC, dan aktuator menghasilkan senyawa kimia yang diinginkan.” (Alam, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04910-y)

Sumber: Universitas Teknik Munich

2 Agustus 2022

– Jan Fleischer