Un team collaborativo di ricercatori guidato dal Prof. Cees Dekker della Delft University of Technology, in collaborazione con colleghi internazionali, ha introdotto una svolta pionieristica nel mondo dei nanomotori:la nanoturbina origami di DNA. Questo dispositivo su scala nanometrica potrebbe rappresentare un cambio di paradigma, sfruttando la potenza dei gradienti ionici o del potenziale elettrico attraverso un nanoporo allo stato solido per far ruotare la turbina in modo meccanico.
Il nucleo di questa scoperta è la progettazione, la costruzione e il movimento guidato di una turbina "origami di DNA", che presenta tre pale chirali, tutte all'interno di un minuscolo telaio da 25 nanometri, che operano in un nanoporo allo stato solido. Progettando ingegnosamente due turbine chirali, i ricercatori hanno ora la capacità di dettare la direzione di rotazione, in senso orario o antiorario. I loro risultati sono stati pubblicati su Nature Nanotechnology .
Le turbine azionate dal flusso sono il cuore di molte macchine rivoluzionarie che hanno plasmato le nostre società, dai mulini a vento agli aeroplani. Anche la vita stessa dipende in modo critico dalle turbine per processi fondamentali, come la sintasi FoF1-ATP che produce combustibili per le cellule biologiche e il motore dei flagelli batterici che spinge i batteri.
"La nostra nanoturbina ha un rotore di 25 nanometri di diametro realizzato in materiale DNA con pale configurate in senso destrorso o mancino per controllare la direzione di rotazione. Per funzionare, questa struttura è ancorata a un forte flusso d'acqua, controllato da un campo elettrico o differenza di concentrazione di sale, da un nanoporo, una piccola apertura, in una membrana sottile. Abbiamo usato la nostra turbina per azionare un'asta rigida fino a 10 giri al secondo," dice Xin Shi, autore principale dell'articolo.
Una delle scoperte più intriganti di questa ricerca è la natura unica della rotazione della nanoturbina dell'origami di DNA. Il suo comportamento è influenzato dalla concentrazione degli ioni, consentendo alla stessa turbina di ruotare in senso orario o antiorario, a seconda della concentrazione di Na + ioni nella soluzione.
Questa caratteristica unica, esclusiva del regno della nanoscala, risulta dall'intricata interazione tra ioni, acqua e DNA.
Questi risultati, rigorosamente supportati da estese simulazioni di dinamica molecolare effettuate dal gruppo di Aleksei Aksimentiev presso l'Università dell'Illinois e dalla modellazione teorica di Ramin Golestanian presso MPI Göttingen, promettono di espandere gli orizzonti della nanotecnologia e offrono numerose applicazioni. Ad esempio, in futuro, potremmo essere in grado di utilizzare gli origami del DNA per creare nanomacchine in grado di somministrare farmaci nel corpo umano, a tipi specifici di cellule.
Cees Dekker, che ha supervisionato la ricerca, fa luce sulla loro metodologia dicendo:"Insieme ai nostri collaboratori del laboratorio di Hendrik Dietz dell'Università Tecnica di Monaco, abbiamo utilizzato le intuizioni del nostro precedente lavoro sui motori rotativi del DNA per creare ora una turbina con pieno controllo sulla sua progettazione e funzionamento."
La tecnica del "DNA origami" utilizza le interazioni specifiche tra coppie di basi complementari del DNA per costruire nano-oggetti dinamici 3D. Questo design consente di controllare la direzione di rotazione della turbina nei nostri nanopori attraverso la manovrabilità delle pale e consente l'integrazione diretta della turbina in altre nanomacchine.
Questo risultato della ricerca segue l'introduzione, lo scorso anno, del nanorotore attivo del DNA, un dispositivo autoconfigurante in grado di trasformare l'energia da gradienti elettrici o salini in un lavoro meccanico pratico.
Riflettendo sul lavoro, Xin Shi ha affermato:"Abbiamo svelato i principi fondamentali alla base della propulsione di un rotore su scala nanometrica utilizzando acqua e sale in nanopori. La svolta di quest'anno, guidata da un design razionale, segna la fase successiva del nostro viaggio."
"I principi fondamentali del nostro articolo precedente, combinati con le innovazioni di questo, pongono le basi per il futuro delle macchine transmembrana biomimetiche, con il potenziale per sfruttare l'energia dai gradienti salini, una fonte di energia vitale impiegata dai motori biologici."
Ulteriori informazioni: Xin Shi et al, Una turbina di DNA alimentata da un potenziale transmembrana attraverso un nanoporo, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01527-8
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale
Fornito dall'Università della Tecnologia di Delft
