Forskere designer en pulserende nanomotor

Forskere designer en pulserende nanomotor

Tidsstempel: 19. oktober 2023 kl. 10
Kildeknude: 2945091
19. oktober 2023 (Nanowerk nyheder) Et internationalt hold af videnskabsmænd ledet af universitetet i Bonn har udviklet en ny type nanomotor. Den drives af en smart mekanisme og kan udføre pulserende bevægelser. Forskerne planlægger nu at forsyne den med en kobling og installere den som et drev i komplekse maskiner.

Nøgleforsøg

  • Forskere har udviklet en ny type nanomotor, der udfører pulserende bevægelser, der ligner en håndgrebstræner, men er en million gange mindre.
  • Nanomotoren bruger RNA-polymeraser til at bevæge sig langs en DNA-streng, trækker dens håndtag tættere sammen i en cyklus og efterligner funktionen af ​​proteiner i celler.
  • Denne unikke motor er drevet af nukleotidtrifosfater, den samme energikilde, der bruges af celler til at skabe proteiner.
  • Motoren har vist sig at være let at kombinere med andre strukturer, hvilket tyder på dens potentielle brug i komplekse nanomaskiner.
  • Der arbejdes videre med at optimere nanomotorens ydeevne, herunder udvikling af et koblingssystem til at styre dens aktivitet.
    • en ny type nanomotor med en RNA-polymerase, som trækker de to 'håndtag' sammen og derefter frigiver dem igen. Dette genererer en pulserende bevægelse. Den nye type nanomotor med en RNA-polymerase, som trækker de to "håndtag" sammen og derefter frigiver dem igen. Dette genererer en pulserende bevægelse. (Billede: Mathias Centola, Bonn Universitet)

    The Research

    Holdets resultater er nu dukket op i journalen Natur Nanoteknologi ("En rytmisk pulserende bladfjeder DNA-origami nanomotor, der driver en passiv følger"). Denne nye type motor ligner en håndgrebstræner, der styrker dit greb, når den bruges regelmæssigt. Motoren er dog omkring en million gange mindre. To håndtag er forbundet med en fjeder i en V-formet struktur. I en håndgrebstrainer klemmer du håndtagene sammen mod fjederens modstand. Når du slipper dit greb, skubber fjederen håndtagene tilbage til deres oprindelige position. "Vores motor anvender et meget lignende princip," forklarer prof. Dr. Michael Famulok fra Life and Medical Sciences (LIMES) Institute ved universitetet i Bonn. "Men håndtagene er ikke presset sammen, men snarere trukket sammen." Til dette formål har forskerne genbrugt en mekanisme, uden hvilken der ikke ville være nogen planter eller dyr. Hver celle er udstyret med en slags bibliotek. Den indeholder tegningerne for alle typer proteiner, som cellen skal bruge for at udføre sin funktion. Hvis cellen ønsker at producere en bestemt type protein, bestiller den en kopi af den respektive plan. Dette transkript produceres af RNA-polymeraser.

    RNA-polymeraser driver de pulserende bevægelser

    Den originale plan består af lange DNA-strenge. RNA-polymeraserne bevæger sig langs disse strenge og kopierer den lagrede information bogstav for bogstav. "Vi tog en RNA-polymerase og fastgjorde den til et af håndtagene i vores nanomaskine," forklarer Famulok, som også er medlem af de tværfaglige forskningsområder "Life & Health" og "Matter" ved universitetet i Bonn. "I umiddelbar nærhed spændte vi også en DNA-streng mellem de to håndtag. Polymerasen griber fat i denne streng for at kopiere den. Den trækker sig selv langs stativet, og den ikke-transskriberede sektion bliver stadig mindre. Dette trækker det andet håndtag lidt efter lidt mod det første og komprimerer samtidig fjederen." DNA-strengen mellem håndtagene indeholder en bestemt sekvens af bogstaver kort før dens afslutning. Denne såkaldte termineringssekvens signalerer til polymerasen, at den skal give slip på DNA'et. Fjederen kan nu slappe af igen og flytter håndtagene fra hinanden. Dette bringer startsekvensen af ​​strengen tæt på polymerasen, og den molekylære kopimaskine kan starte en ny transkriptionsproces: Cyklussen gentages således. "På denne måde udfører vores nanomotor en pulserende handling," forklarer Mathias Centola fra forskergruppen ledet af prof. Famulok, som udførte en stor del af eksperimenterne.

    En alfabetsuppe tjener som brændstof

    Denne motor har også brug for energi ligesom enhver anden type motor. Det leveres af "alfabetsuppen", hvorfra polymerasen producerer transkripterne. Hvert eneste af disse bogstaver (i teknisk terminologi: nukleotider) har en lille hale bestående af tre fosfatgrupper - et trifosfat. For at knytte et nyt bogstav til en eksisterende sætning, skal polymerasen fjerne to af disse fosfatgrupper. Dette frigiver energi, som det kan bruge til at forbinde bogstaverne sammen. "Vores motor bruger således nukleotidtrifosfater som brændstof," siger Famulok. "Det kan kun fortsætte med at køre, når et tilstrækkeligt antal af dem er tilgængelige." Ved at overvåge individuelle nanomotorer kunne en af ​​samarbejdspartnerne med base i den amerikanske stat Michigan påvise, at de rent faktisk udfører den forventede bevægelse. En forskergruppe i Arizona simulerede også processen på højhastighedscomputere. Resultaterne kan for eksempel bruges til at optimere motoren til at arbejde med en bestemt pulsationshastighed. Desuden kunne forskerne påvise, at motoren let kan kombineres med andre strukturer. Dette skal gøre det muligt for den for eksempel at vandre hen over en overflade – svarende til en tommeorm, der trækker sig langs en gren i sin egen karakteristiske stil. "Vi planlægger også at producere en type kobling, der vil tillade os kun at udnytte motorens kraft på bestemte tidspunkter og ellers lade den stå i tomgang," forklarer Famulok. På lang sigt kan motoren blive hjertet i en kompleks nanomaskine. "Der er dog stadig meget arbejde, der skal gøres, før vi når dette stadie."

    Tidsstempel:

    Mere fra Nanoværk