Gli scienziati dell'Università tecnica di Monaco (TUM) hanno sviluppato una nuova tecnologia di propulsione elettrica per nanorobot. Consente alle macchine molecolari di muoversi centomila volte più velocemente rispetto ai processi biochimici utilizzati fino ad oggi. Ciò rende i nanobot abbastanza veloci da svolgere il lavoro in catena di montaggio nelle fabbriche molecolari. I nuovi risultati della ricerca appariranno in copertina il 19 gennaio sulla rinomata rivista scientifica Scienza .

Su e giù, su e giù. I punti di luce si alternano avanti e indietro di pari passo. Sono prodotti da molecole luminose fissate alle estremità di minuscoli bracci robotici. Il prof. Friedrich Simmel osserva il movimento delle nanomacchine sul monitor di un microscopio a fluorescenza. Basta un semplice clic del mouse perché i punti luce si muovano in un'altra direzione.

"Applicando campi elettrici, possiamo ruotare arbitrariamente le braccia in un piano, " spiega il capo della cattedra di fisica dei sistemi biologici sintetici presso la TU di Monaco. Il suo team è riuscito per la prima volta a controllare elettricamente i nanobot e allo stesso tempo ha stabilito un record:la nuova tecnica è 100.000 volte più veloce di tutte le precedenti metodi.

Robot DNA-origami per gli impianti di produzione di domani

Scienziati di tutto il mondo stanno lavorando a nuove tecnologie per le nanofabbriche del futuro. Sperano che un giorno questi vengano usati per analizzare campioni biochimici o produrre agenti medici attivi. Le macchine in miniatura necessarie possono già essere prodotte in modo conveniente utilizzando la tecnica dell'origami del DNA.

L'unico motivo per cui queste macchine molecolari non sono state impiegate su larga scala fino ad oggi è che sono troppo lente. I mattoni sono attivati ​​con enzimi, filamenti di DNA o luce per poi svolgere compiti specifici, ad esempio per raccogliere e trasportare molecole.

Però, i nanobot tradizionali impiegano pochi minuti per eseguire queste azioni, a volte anche ore. Perciò, catene di montaggio molecolari efficienti non possono, a tutti gli effetti e scopi pratici, essere implementato utilizzando queste metodologie.

Aumento di velocità elettronico

"Costruire una catena di montaggio nanotecnologica richiede un diverso tipo di tecnologia di propulsione. Abbiamo avuto l'idea di abbandonare completamente la commutazione biochimica delle nanomacchine a favore delle interazioni tra le strutture del DNA e i campi elettrici, " spiega il ricercatore TUM Simmel, che è anche il co-coordinatore dell'Excellence Cluster Nanosistemi Initiative Munich (NIM).

Il principio alla base della tecnologia di propulsione è semplice:le molecole di DNA hanno cariche negative. Le biomolecole possono quindi essere spostate applicando campi elettrici. Teoricamente, questo dovrebbe consentire ai nanobot fatti di DNA di essere guidati utilizzando impulsi elettrici.

Movimento robotico al microscopio

Per determinare se e quanto velocemente i bracci del robot si allineeranno con un campo elettrico, i ricercatori hanno applicato diversi milioni di bracci di nanobot a un substrato di vetro e l'hanno collocato in un supporto per campioni con contatti elettrici progettati appositamente per lo scopo.

Ognuna delle macchine in miniatura prodotte dall'autore principale Enzo Kopperger comprende un braccio di 400 nanometri attaccato a una piastra di base rigida da 55 per 55 nanometri con un giunto flessibile fatto di basi non accoppiate. Questa costruzione assicura che i bracci possano ruotare arbitrariamente sul piano orizzontale.

In collaborazione con specialisti in fluorescenza guidati dal Prof. Don C. Lamb della Ludwig Maximillians University di Monaco, i ricercatori hanno segnato le punte dei bracci robotici usando molecole di pigmento. Hanno osservato il loro movimento utilizzando un microscopio a fluorescenza. Hanno poi cambiato la direzione del campo elettrico. Ciò ha permesso ai ricercatori di alterare arbitrariamente l'orientamento delle braccia e controllare il processo di locomozione.

"L'esperimento ha dimostrato che le macchine molecolari possono essere spostate, e quindi anche azionato elettricamente, " dice Simmel. "Grazie al processo di controllo elettronico, ora possiamo avviare movimenti su una scala temporale di un millisecondo e siamo quindi 100.000 volte più veloci rispetto agli approcci biochimici utilizzati in precedenza".

Sulla strada per una nanofabbrica

La nuova tecnologia di controllo è adatta non solo per spostare pigmenti e nanoparticelle. I bracci dei robot in miniatura possono anche applicare forza alle molecole. Queste interazioni possono essere utilizzate per la diagnostica e nello sviluppo farmaceutico, sottolinea Simmel. "I nanobot sono piccoli ed economici. Milioni di loro potrebbero lavorare in parallelo per cercare sostanze specifiche nei campioni o per sintetizzare molecole complesse, non diversamente da una catena di montaggio".