Молекулния двигател е крайъгълен камък на „ДНК оригами“

Накратко: Учените са разработили молекулен двигател от ДНК нишки, който използва Брауновото движение за извършване на измерима механична работа. Това изобретение е ключов елемент от технологията „ДНК оригами“ за изграждане на структури в молекулен мащаб. Технологията предлага потенциал за създаването на наноразмерни машини, приложими в химичния синтез и доставката на лекарства.

 

Ротационен двигател, задвижван от Брауново движение, може да проправи пътя за производство на по-напреднали нано-размерни машини

 

Група физици са създали двигател с молекулни размери изцяло от нишки ДНК, и са го използвали за запазване на енергия под формата на „навита пружина“ от ДНК.

Това не е първият ДНК-двигател с нано-размери, но „със сигурност е първия, който извършва измерима механична работа“, според Хендрик Диц, биофизик от Техническия университет в Мюнхен (Германия), чийто екип докладва резултатите на 20 юли в Nature 1. Тази техника се добавя към нарастващия списък с „ДНК оригами“ – трикове, които се използват за изграждане на структури в молекулен мащаб. Изобретението цели да намери приложение в области като химичен синтез и доставка на лекарства в тъканите. 

Клетките са пълни с молекулни машини, включително ротационни двигатели, изпълняващи различни задачи – от движението на камшичето на бактерия до производство на молекули АТФ, представляващи енергийните запаси в клетката. Тези двигатели често използват механизми тип тресчотка, подобни на зъбните колела в часовников механизъм, които позволяват въртене само в една посока.

В резултат на Брауновото движение, постоянно случайно движение на молекули, всички биологичните машини, както всички останало в клетката, непрекъснато се блъскат по между си. Често при тези сблъсъци те могат да придадат енергия една на друга.

Диц и колегите му искат да създадат двигател от ДНК, който може да се задвижва от Брауновото движение по начин, подобен на базираните на протеини машини, открити в клетката. В използваната от тях ДНК-оригами техника те смесват в разтвор бримки от едноверижна вирусна ДНК от бактериофаг с къси вериги от синтетична ДНК, избрани така че да съответстват на специфични участъци от вирусния геном. Късите участъци се свързват към дългите нишки и ги принуждават да се сгънат в желаната форма. Откакто тази техника е демонстрирана за пръв път през 2006 г., изследователите са изградили множество ДНК-оригами с нарастваща сложност.

 

Ритници и удари

Диц и неговия екип изграждат триъгълни платформи от ДНК, всяка от които има прът стърчащ в средата. Те залепват тези структури към стъклена повърхност и добавят дълги ДНК рамена, които прикрепят към платформите по начин който позволява да се въртят около централно разположения прът. 

За да създадат ефекта на тресчотка, изследователите оформят платформите с неравности, които затрудняват въртенето. Само удари получени при Брауновото движение позволяват на рамената да преодолеят неравностите и да се завъртят, най-често с половин оборот.

Фигура 1. Двигателите са изградени от ДНК-нишки подредени в триъгълни платформи, свързани с дълга въртяща се ръка (по материали от сп. Нейчър).

 

Без друга външна намеса въртенето може да продължи произволно в двете посоки. Ето защо екипът потапя два електрода в разтвора и пуска електрически ток в редуващи се посоки. Чрез механизъм наречен „мигаща Браунова тресчотка“, промените в напрежението правят въртенето на рамената в една посока по-благоприятно.

По този начин пасивните устройства се превръщат в истински двигатели. Микроскопските изображения показват че при тези условия, независимо че вибрира произволно, всяко рамо се върти в една и съща посока. (Посоката зависи от точната ориентация на триъгълната основа спрямо електродите.)

 

Като механичен часовник с навиване

Сам по себе си нано-моторът не прави нищо повече от това да преодолява съпротивлението на околния разтвор. Според Диц „Това е както когато плувате – вие се движите напред и вършите много работа, а тя се разсейва във водата“. За да покажат че има потенциал да върши полезна работа, изследователите предприемат още една стъпка – те прикрепят друга нишка от ДНК към своя нано-мотор и я карат да се навива като спирална пружина, както тази която се използва за задвижване на зъбните колела в механичния часовник. Такъв механизъм може да помогне на нано-машините да съхраняват енергия или да изтеглят други механични компоненти, казва Диц.

„Това е забележително постижение на екипа – първо че успяват да проектират система, която се сгъва в толкова сложна и функционална структура с ДНК оригами, и второ – че успяват да характеризират нейната динамика толкова задълбочено“, казва Дейвид Лий, химик от университета в Манчестър, Великобритания. Използвайки много различен подход, Лий и неговия екип тази година демонстрираха ротационен двигател в атомен мащаб, който се въртеше около една молекулна връзка.

 

Превод: Десислав Томов

Библиография:

  1. Pumm, A.-. K. Nature (2022) doi:10.1038/s41586-022-04910-y.
  2. Rothemund, P. W. K. Nature 440, (2006).
  3. Borsley, S., Kreidt, E., Leigh, D. A. & Roberts, B. M. Nature 604, (2022).

 

Живейте по-добре с наука!

  • Развийте критично мислене и изградете защита срещу дезинформация.

  • Придобийте ключови умения за по-добър живот с нашите курсове във формат текст, видео и аудио.

  • Открийте новостите и иновациите в медицината.

  • Само 3 минути дневно са достатъчни, за да трансформирате живота си!

  • Всеки месец ви очаква нов брой с увлекателни статии по биология, космос, технологии, история, медицина и много други.

Изживейте науката навсякъде и по всяко време, като я четете на най-удобното за вас устройство.

 
Годишен абонамент
ВИЖ ПОВЕЧЕ
  • Безкрайно знание - списание, видеа, аудио, книги и т.н.
  • Достъп от всякъде
  • Социална мрежа за знание с хора като вас.

Създадохме платформа, която предлага курсове и ръководства, насочени към решаването на житейски предизвикателства чрез научно обосновани методи. Тя не само подпомага личностното развитие, но и предоставя ценни знания за водене на по-здравословен, успешен и пълноценен живот. Благодарение на научния подход, потребителите ще имат възможност да подобрят своето благосъстояние и да постигнат по-високо качество на живот.

БГ Наука
Powered by  GDPR Cookie Compliance
Правила на поверителност

Използваме „бисквитки“, за да персонализираме съдържанието и рекламите, да предоставяме функции на социални медии и да анализираме трафика си. Също така споделяме информация за начина, по който използвате сайта ни, с партньорските си социални медии, рекламните си партньори и партньори за анализ.

Можете да коригирате всички настройки на „бисквитките“, като отворите разделите вляво.