Illustrazione di un nanowalker bipede che si muove come un verme strisciante lungo una pista. Il nanowalker ha due gambe di DNA a filamento singolo identiche (mostrate come una curva a tre segmenti colorata in viola, ciano e grigio in successione). Le due gambe sono collegate da un ponte di DNA a doppia elica insieme a un componente "motore" (arancione e rosa) che si contrae o si allunga sotto luce alternata ultravioletta o visibile. Il deambulatore tira in avanti la gamba posteriore durante la contrazione (come mostrato), e spinge la gamba anteriore in avanti all'allungamento. Molecole fluorescenti (rosso, sfere di colore verde e nero) legate a diverse posizioni del percorso a piedi vengono utilizzate per rilevare il movimento del nanowalker. Credito:Nanoscale
I fisici del NUS hanno progettato un nanowalker bipede che può cambiare il suo modo di camminare e la direzione regolando la lunghezza del suo passo. I nanowalker a base di acido desossiribonucleico (DNA) sono una classe di motori molecolari che vengono esplorati per un'ampia gamma di potenziali applicazioni su nanoscala. Ciò include la sintesi dipendente dalla sequenza automatizzata, linee di assemblaggio su nanoscala e modelli di superficie guidati da camminatori.
Un nanowalker bipede può muoversi lungo un binario in avanti o indietro utilizzando diversi tipi di andatura (modo di camminare). Può adottare un'andatura hand-over-hand (HOH) in cui le due gambe del deambulatore si guidano alternativamente l'una all'altra, o seguire un'andatura da verme (IW) in cui una gamba conduce sempre l'altra, come un verme strisciante. Per lo stesso nanowalker essere in grado di cambiare direzione e avere diversi tipi di andatura rappresenta un livello più elevato di controllo del movimento nanoscopico che rimane impegnativo.
Un team guidato dal Prof Wang Zhisong del Dipartimento di Fisica, NUS ha sviluppato un nanowalker bipede che può alternare il movimento in avanti e indietro e tra l'andatura HOH e IW modificando la dimensione del passo del deambulatore. La traccia su cui "cammina" il DNA walker è costituita da una serie periodica di punti d'appoggio identici di DNA a singolo filamento separati da un distanziatore a doppia elica. La dimensione del passo del deambulatore è controllata modificando la lunghezza di questo distanziatore. Il team di ricerca ha scoperto che quando il distanziatore è corto, il deambulatore usa un'andatura IW e si muove verso una direzione della traccia del DNA. Quando il distanziatore è allungato, il deambulatore si muove nella direzione opposta e cambia in un'andatura HOH. Quando il distanziatore è ulteriormente allungato, il deambulatore continua ad avere un'andatura HOH ma inverte nuovamente la direzione. Questi risultati mostrano che il modo di camminare e la direzione del movimento del camminatore del DNA possono essere controllati modificando la dimensione del passo, che corrisponde alla lunghezza del distanziatore.
Il DNA walker ha due "gambe" identiche a singolo filamento collegate tra loro da un rigido ponte molecolare che può cambiare tra una lunga struttura a doppia elica e una corta struttura quadruplex in diverse condizioni di illuminazione. Alternando tra luce ultravioletta e visibile, il DNA walker subisce un'estensione e una contrazione reversibili mentre cambia tra le strutture a doppia elica e quadruplex. A causa di un'asimmetria nel potenziale di legame delle sue "gambe" alla pista, un movimento di camminata viene creato quando il DNA walker viene tirato avanti e indietro.
Il professor Wang ha detto, "In linea di principio, sia la fornitura di energia che il controllo delle dimensioni del distanziatore potrebbero essere incorporati nella traccia molecolare per sviluppare nanowalker azionati meccanicamente con andatura e direzione ben controllate. Ciò potrebbe essere potenzialmente implementato ingegnerizzando le tracce molecolari utilizzando microscopi a forza atomica o pinzette magnetiche/ottiche".
