(Phys.org)—Per la prima volta, i ricercatori hanno dimostrato un nanomotore a DNA in grado di "camminare" lungo un binario con movimento sostenibile. Il nanomotore ha anche la più alta efficienza di carburante per qualsiasi tipo di nanomotore a piedi, o "nanowalker, "riferito fino ad oggi, utilizzando circa una molecola di combustibile per passaggio.

Ricercatori Meihan Liu et al. alla National University of Singapore hanno pubblicato un articolo sul DNA nanowalker in un recente numero di ACS Nano .

Il minuscolo motore illustra come gli effetti puramente fisici possono consentire la raccolta efficiente di energia chimica a livello di singola molecola. Operando sull'energia chimica, il nuovo motore funziona in modo completamente diverso da qualsiasi motore macroscopico, e avvicina i ricercatori alla replica dei biomotori altamente efficienti che trasportano il carico nelle cellule viventi.

Una caratteristica importante del nuovo nanowalker è che, come i biomotori nelle cellule viventi, è un enzima. Ciò significa che aiuta ad avviare la reazione chimica che produce carburante che genera il suo movimento senza cambiare in modo permanente se stesso o la sua traccia. Questa caratteristica consente ripetuti, movimento sostenibile, che non è mai stato raggiunto da nessun nanowalker sintetico alimentato chimicamente prima d'ora. La maggior parte degli altri nanowalker sono stati "motori a ponte bruciato, " nel senso che non sono enzimi ma consumano invece le loro tracce come carburante.

Creare nanowalker enzimatici è molto impegnativo, e quindi i progressi in questo settore sono stati relativamente lenti negli ultimi anni. L'unica altra dimostrazione di un deambulatore enzimatico risale al 2009, quando i ricercatori hanno progettato un nanowalker che, pur essendo enzimatico, non può ottenere un movimento sostenibile perché il suo binario si avvolge nel tempo e alla fine arresta il motore. Questo nanowalker utilizza più di due molecole di carburante per passo, e gli studi da allora hanno suggerito che due molecole di carburante per passaggio sono una soglia generale per i nanomotori enzimatici.

Con la sua capacità di movimento sostenibile e un'efficienza del carburante di circa una molecola per passaggio, il nuovo nanowalker rappresenta un balzo in avanti in questo settore.

La chiave di questo risultato è stata trovare un meccanismo fisico per raccogliere in modo efficiente l'energia chimica a livello di singola molecola. Questo meccanismo consiste in tre "porte chemiomeccaniche" che fondamentalmente assicurano che il nanowalker cammini raccogliendo sempre la sua gamba posteriore e non quella anteriore.

Per fare questo, queste porte controllano fisicamente l'ordine in cui i prodotti vengono rilasciati nella reazione chimica che spinge in avanti il ​​nanowalker. Di conseguenza, la gamba posteriore del DNA nanowalker si dissocia per prima dalla pista e fa un passo avanti prima che la gamba anteriore si dissocia. Poi, quando la gamba anteriore diventa la gamba posteriore, quella gamba fa un passo avanti, e il ciclo di camminata si ripete. La dissociazione di ciascuna gamba si verifica quando un enzima "taglia" una molecola di carburante che è legata alla gamba, così che una molecola è tutto ciò che serve per fare un passo. Utilizzando un microscopio a fluorescenza, i ricercatori hanno osservato che il nanowalker lungo 20 nm potrebbe muoversi a velocità fino a 3 nm al minuto.

Come spiegano i ricercatori, il meccanismo di controllo del prodotto è unico per i nanomotori alimentati chimicamente. Non è utilizzato da altri tipi di nanomotori, come quelli guidati dalla luce o da campi elettrici/magnetici, né da motori macroscopici, che tipicamente bruciano una grande quantità di molecole di combustibile per generare calore, e quindi utilizzare il calore per generare movimento per produrre lavoro.

Il controllo del prodotto è, però, utilizzato nei biomotori bipedi all'interno delle cellule viventi, che consumano ATP (adenosina trifosfato) come combustibile. Quando la molecola di fosfato più piccola nell'ATP viene rilasciata prima della molecola più grande di ADP (adenosina difosfato), il biomotore si muove in una direzione; quando i prodotti vengono rilasciati nell'ordine opposto, il biomotore si muove nella direzione opposta.

Poiché il nuovo nanowalker è una rara dimostrazione del controllo del prodotto in un motore sintetico, i ricercatori sperano che guidi lo sviluppo futuro dei nanomotori alimentati chimicamente verso l'obiettivo finale di replicare il trasporto altamente efficiente mostrato nelle cellule viventi. Un possibile passo successivo in questo settore è fabbricare un treno di nanowalker per dimostrare il trasporto collettivo, che è una caratteristica comune dei biomotori. Questi nanomotori potrebbero infine portare a diverse nuove applicazioni.

"I nanowalker enzimatici sono un elemento chiave per replicare l'autonoma, trasporto intracellulare ripetibile ed efficiente, " coautore Zhisong Wang, un fisico presso l'Università Nazionale di Singapore, detto Phys.org . "Questa capacità è importante in quanto porta a una varietà di applicazioni nanotecnologiche, come la consegna di farmaci a motore ovunque conduca il binario, fino alla risoluzione su scala nanometrica per la localizzazione; rilevamento e trasduzione del segnale (catturando e concentrando agenti chimici); sintesi automatizzata multi-step e linee di assemblaggio su scala nanometrica; e conversazione sull'energia per la tecnologia energetica."

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