La figura mostra la configurazione delle pinzette magnetiche per il rilevamento della forza di un singolo motore molecolare (a sinistra) e due traiettorie registrate che mostrano il rapido movimento graduale del motore (a destra, contro una forza opposta di 1,5 pN). Il pannello in alto e in basso a destra mostra i singoli eventi di stepping registrati del motore molecolare con fluttuazioni nella velocità di movimento tipiche degli esperimenti su singola molecola. Un singolo nanomotore bipede con una lunga pista è assemblato da molte corte molecole di DNA a filamento singolo sotto una perla paramagnetica. Il motore si muove autonomamente consumando un breve DNA a filamento singolo come combustibile con l'aiuto di un enzima proteico. Il movimento del motore molecolare è contro una forza all'indietro applicata al tallone, consentendo la misurazione del movimento resistente al carico del motore e dell'uscita della forza. Credito:Nanoscala (2021). DOI:10.1039/D1NR02296B
I fisici della National University of Singapore hanno dimostrato che un singolo motore molecolare artificiale può mostrare una forza simile a quella naturale che alimenta i muscoli umani. I loro risultati sono pubblicati in Nanoscale .
I motori molecolari sono una classe di macchine con dimensioni nanometriche che sono essenziali agenti di movimento negli organismi viventi. Sfruttano varie fonti di energia all'interno del corpo per generare movimento meccanico. Una caratteristica fondamentale è la forza generata da un singolo motore durante il suo moto semovente. Questa capacità di generazione di forza consente al motore molecolare di fornire lavoro meccanico ed è una misura della sua efficienza di conversione energetica, che ne influenza l'uso in potenziali applicazioni.
La misurazione della forza generata dai motori molecolari naturali, che di solito sono costituiti da proteine, è stata raggiunta due decenni fa. Tuttavia, misurazioni simili per motori molecolari artificiali fatti di DNA (acido desossiribonucleico) rimangono una sfida. Una collaborazione di ricerca tra il Molecular Motors Laboratory del Professor Zhisong Wang e il Single-Molecule Biophysics Laboratory del Professor Jie Yan, entrambi del Dipartimento di Fisica, NUS è riuscito a rilevare la forza generata da un motore molecolare del DNA in movimento.
È difficile rilevare le forze create da un singolo motore molecolare in movimento per i motori artificiali perché sono piccole e operano principalmente su tracce morbide (ad esempio, DNA a doppio filamento). Le tracce morbide non sono fisse in posizione e tendono ad avvolgersi in una forma circolare. Ciò influisce sul movimento del motore artificiale. Il team di ricerca ha superato questa difficoltà progettando ed eseguendo esperimenti paralleli su una singola molecola che hanno mantenuto le tracce in posizione a livello di nanoscala rilevando contemporaneamente la minuscola forza creata dal motore molecolare in movimento. Utilizzando la tecnica delle pinzette magnetiche, hanno prima assemblato un motore molecolare artificiale e la sua traccia sotto una perla paramagnetica (strumento per l'isolamento di biomolecole). Hanno quindi commutato il tallone paramagnetico in una modalità di rilevamento della forza (vedi figura).
Il team di ricerca ha applicato con successo il proprio metodo a un motore molecolare del DNA autonomo (precedentemente sviluppato dal laboratorio del Prof. Wang). Questo motore molecolare bipede è in grado di "camminare" consecutivamente da solo con una lunghezza del passo di circa 16 nm tra ogni passo, fornendo un'uscita di forza massima di circa 2-3 pN. Questa forza misurata è a un livello vicino ai motori molecolari naturali che alimentano i muscoli umani, indicando una conversione ragionevolmente efficiente dell'energia chimica in movimento meccanico.
Il Prof. Wang ha affermato:"Questo studio apre la strada allo sviluppo di applicazioni associate a motori molecolari artificiali traslazionali che richiedono la generazione di forze. Gli esempi includono robot molecolari e muscoli artificiali che imitano la biografia. Separatamente, il metodo a molecola singola stabilito in questo lavoro è applicabile alla misurazione della forza di molti altri motori molecolari artificiali con piste morbide." + Esplora ulteriormente
