I ricercatori della TU Delft hanno costruito i più piccoli motori azionati dal flusso del mondo. Ispirandosi agli iconici mulini a vento olandesi e alle proteine ​​motorie biologiche, hanno creato un rotore autoconfigurante e azionato dal DNA che converte l'energia da un gradiente elettrico o salino in un utile lavoro meccanico. I risultati aprono nuove prospettive per l'ingegneria della robotica attiva su scala nanometrica. L'articolo è ora pubblicato su Nature Physics .

Costruzione inafferrabile

I motori rotativi sono stati le centrali elettriche delle società umane per millenni, dai mulini a vento e ruote idrauliche alle turbine eoliche offshore più avanzate di oggi, guidando il futuro dell'energia verde. "Questi motori rotativi, azionati da un flusso, sono presenti in modo prominente anche nelle cellule biologiche. Un esempio è la FoF1-ATP sintasi, che produce il carburante di cui le cellule hanno bisogno per funzionare. Ma la costruzione sintetica su scala nanometrica è rimasta finora sfuggente", afferma il dottor Xin Shi, postdoc nel laboratorio del prof. Cees Dekker nel dipartimento di Bionanoscienza della TU Delft.

"Il nostro motore azionato dal flusso è realizzato in materiale di DNA. Questa struttura è agganciata a un nanoporo, una minuscola apertura, in una membrana sottile. Il fascio di DNA, spesso solo 7 nanometri, si auto-organizza sotto un campo elettrico in un rotore configurazione, che successivamente viene impostata in un movimento rotatorio sostenuto di oltre 10 rivoluzioni al secondo", afferma Shi, primo autore della pubblicazione in Nature Physics .

Origami di DNA

"Per sette anni, abbiamo cercato di costruire tali nanomotori rotanti sinteticamente dal basso verso l'alto. Utilizziamo una tecnica chiamata DNA origami, in collaborazione con il laboratorio di Hendrik Dietz dell'Università tecnica di Monaco", aggiunge Cees Dekker, che ha supervisionato la ricerca . Questa tecnica utilizza le interazioni specifiche tra coppie di basi di DNA complementari per costruire nano-oggetti 2D e 3D. I rotori sfruttano l'energia da un flusso di acqua e ioni che si stabilisce attraverso una tensione applicata o anche più semplice:avendo diverse concentrazioni di sale sui due lati della membrana. Quest'ultima è una delle fonti di energia più abbondanti in biologia che alimenta vari processi critici, come la sintesi del combustibile cellulare e la propulsione cellulare.

Risolvere un puzzle

Questo risultato rappresenta una pietra miliare, in quanto è la prima realizzazione sperimentale in assoluto di rotori attivi azionati dal flusso su scala nanometrica. Quando i ricercatori hanno osservato per la prima volta le rotazioni, tuttavia, sono rimasti perplessi:come potevano barre di DNA così semplici mostrare queste rotazioni piacevoli e prolungate? L'enigma è stato risolto nelle discussioni con il teorico Ramin Golestanian e il suo team al Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization di Gottinga. Hanno modellato il sistema e rivelato l'affascinante processo di auto-organizzazione in cui i fasci si deformano spontaneamente in rotori chirali che poi si accoppiano al flusso dei nanopori.

Dalla semplicità al design razionale

"Questo processo di auto-organizzazione mostra davvero la bellezza della semplicità", afferma Shi. Ma l'importanza di questo lavoro non si ferma a questo semplice rotore stesso. La tecnica e il meccanismo fisico alla base stabiliscono una direzione completamente nuova nella costruzione di nanomotori sintetici:le nanoturbine azionate dal flusso, che è un campo sorprendentemente inesplorato da scienziati e ingegneri. "Sareste sorpresi di quanto poco sapevamo e abbiamo ottenuto sulla costruzione di tali nanoturbine a flusso, soprattutto date le conoscenze millenarie che abbiamo sulla costruzione delle loro controparti su scala macroscopica e i ruoli critici che svolgono nella vita stessa", afferma Shi.

In una fase successiva (che è in fase di prestampa) il gruppo ha utilizzato le conoscenze apprese dalla costruzione di questo rotore auto-organizzato per fare un prossimo importante progresso:la prima turbina su scala nanometrica progettata razionalmente. "Come sempre funzionano la scienza e le tecnologie, siamo partiti da una semplice girandola, ora siamo in grado di ricreare i bellissimi mulini a vento olandesi, ma questa volta con una dimensione di soli 25 nm, la dimensione di una singola proteina nel tuo corpo", afferma Shi , "e abbiamo dimostrato la loro capacità di trasportare carichi".

"E ora, la direzione di rotazione è stata impostata dalla chiralità progettata", aggiunge Dekker. "Turbine sinistrorse ruotavano in senso orario; quelle destrorse ruotavano in senso antiorario."

Motore a vapore

Successivamente, per comprendere e imitare meglio le proteine ​​motorie come la FoF1-ATP sintasi, i risultati aprono nuove prospettive per l'ingegneria della robotica attiva su scala nanometrica. Shi:"Quello che abbiamo dimostrato qui è un motore su scala nanometrica che è veramente in grado di trasdurre energia e fare lavoro. Potresti fare un'analogia con la prima invenzione del motore a vapore nel 18° secolo. Chi avrebbe potuto prevedere allora come è cambiato radicalmente le nostre società? Potremmo trovarci in una fase simile ora con questi nanomotori molecolari. Il potenziale è illimitato, ma c'è ancora molto lavoro da fare". + Esplora ulteriormente

Primo nanomotore elettrico realizzato con materiale DNA