Οι ερευνητές σχεδιάζουν έναν παλμικό νανοκινητήρα

Οι ερευνητές σχεδιάζουν έναν παλμικό νανοκινητήρα

Χρονική σήμανση: 19 Οκτωβρίου 2023 10:37 π.μ.
Κόμβος πηγής: 2945091
19 Οκτωβρίου 2023 (Ειδήσεις Nanowerk) Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο της Βόννης ανέπτυξε έναν νέο τύπο νανοκινητήρα. Οδηγείται από έναν έξυπνο μηχανισμό και μπορεί να εκτελεί παλμικές κινήσεις. Οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα να το τοποθετήσουν με έναν σύνδεσμο και να το εγκαταστήσουν ως κίνηση σε πολύπλοκες μηχανές.

Βασικές τακτικές

  • Οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν νέο τύπο νανοκινητήρα που εκτελεί παλμικές κινήσεις παρόμοιες με ένα εκπαιδευτικό χειρολαβής, αλλά είναι ένα εκατομμύριο φορές μικρότερος.
  • Ο νανοκινητήρας χρησιμοποιεί πολυμεράσες RNA για να κινηθεί κατά μήκος ενός κλώνου DNA, τραβώντας τις λαβές του πιο κοντά μεταξύ τους σε έναν κύκλο, μιμούμενοι τη λειτουργία των πρωτεϊνών στα κύτταρα.
  • Αυτός ο μοναδικός κινητήρας τροφοδοτείται από τριφωσφορικά νουκλεοτίδια, την ίδια πηγή ενέργειας που χρησιμοποιείται από τα κύτταρα για τη δημιουργία πρωτεϊνών.
  • Ο κινητήρας έχει αποδειχθεί ότι μπορεί εύκολα να συνδυαστεί με άλλες δομές, υποδηλώνοντας την πιθανή χρήση του σε σύνθετες νανομηχανές.
  • Γίνονται περαιτέρω εργασίες για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης του νανοκινητήρα, συμπεριλαμβανομένης της ανάπτυξης ενός συστήματος συμπλέκτη για τον έλεγχο της δραστηριότητάς του.
    • ένας νέος τύπος νανοκινητήρα με μια πολυμεράση RNA, η οποία έλκει τις δύο «λαβές» μεταξύ τους και στη συνέχεια τις απελευθερώνει ξανά. Αυτό δημιουργεί μια παλμική κίνηση. Ο νέος τύπος νανοκινητήρα με μια RNA πολυμεράση, που τραβάει τις δύο «λαβές» μεταξύ τους και στη συνέχεια τις απελευθερώνει ξανά. Αυτό δημιουργεί μια παλμική κίνηση. (Εικόνα: Mathias Centola, Πανεπιστήμιο της Βόννης)

    Η έρευνα

    Τα ευρήματα της ομάδας έχουν πλέον εμφανιστεί στο περιοδικό Φύση Νανοτεχνολογία («Ένας ρυθμικά παλλόμενος νανοκινητήρας DNA-οριγκάμι που οδηγεί έναν παθητικό οπαδό»). Αυτός ο νέος τύπος κινητήρα είναι παρόμοιος με ένα εκπαιδευτικό χειρολαβής που ενισχύει τη λαβή σας όταν χρησιμοποιείται τακτικά. Ωστόσο, ο κινητήρας είναι περίπου ένα εκατομμύριο φορές μικρότερος. Δύο λαβές συνδέονται με ένα ελατήριο σε σχήμα V. Σε ένα εκπαιδευτικό χειρολαβής, πιέζετε τις λαβές μεταξύ τους ενάντια στην αντίσταση του ελατηρίου. Μόλις αφήσετε τη λαβή σας, το ελατήριο σπρώχνει τις λαβές πίσω στην αρχική τους θέση. «Ο κινητήρας μας χρησιμοποιεί μια πολύ παρόμοια αρχή», εξηγεί ο καθηγητής Δρ. Michael Famulok από το Ινστιτούτο Ζωής και Ιατρικών Επιστημών (LIMES) στο Πανεπιστήμιο της Βόννης. «Αλλά οι λαβές δεν πιέζονται μεταξύ τους, αλλά μάλλον τραβηγμένες μεταξύ τους». Για το σκοπό αυτό, οι ερευνητές επαναχρησιμοποίησαν έναν μηχανισμό χωρίς τον οποίο δεν θα υπήρχαν φυτά ή ζώα. Κάθε κελί είναι εξοπλισμένο με ένα είδος βιβλιοθήκης. Περιέχει τα προσχέδια για όλους τους τύπους πρωτεϊνών που χρειάζεται το κύτταρο για να εκτελέσει τη λειτουργία του. Εάν το κύτταρο θέλει να παράγει έναν συγκεκριμένο τύπο πρωτεΐνης, παραγγέλνει ένα αντίγραφο του αντίστοιχου σχεδιαγράμματος. Αυτή η μεταγραφή παράγεται από RNA πολυμεράσες.

    Οι RNA πολυμεράσες οδηγούν τις παλμικές κινήσεις

    Το αρχικό σχέδιο αποτελείται από μακριές έλικες DNA. Οι πολυμεράσες RNA κινούνται κατά μήκος αυτών των κλώνων και αντιγράφουν τις αποθηκευμένες πληροφορίες γράμμα προς γράμμα. «Πήραμε μια πολυμεράση RNA και τη συνδέσαμε σε μια από τις λαβές της νανομηχανής μας», εξηγεί ο Famulok, ο οποίος είναι επίσης μέλος των διεπιστημονικών ερευνητικών τομέων «Life & Health» και «Matter» στο Πανεπιστήμιο της Βόννης. «Σε κοντινή απόσταση, τεντώσαμε επίσης έναν κλώνο DNA ανάμεσα στις δύο λαβές. Η πολυμεράση αρπάζεται σε αυτό το σκέλος για να το αντιγράψει. Τραβιέται κατά μήκος της βάσης και το τμήμα που δεν έχει μεταγραφεί γίνεται όλο και μικρότερο. Αυτό τραβάει τη δεύτερη λαβή λίγο-λίγο προς την πρώτη, συμπιέζοντας ταυτόχρονα το ελατήριο». Ο κλώνος DNA ανάμεσα στις λαβές περιέχει μια συγκεκριμένη ακολουθία γραμμάτων λίγο πριν το τέλος του. Αυτή η λεγόμενη αλληλουχία τερματισμού σηματοδοτεί στην πολυμεράση ότι πρέπει να αφήσει το DNA. Το ελατήριο μπορεί τώρα να χαλαρώσει ξανά και απομακρύνει τις λαβές. Αυτό φέρνει την ακολουθία έναρξης του κλώνου κοντά στην πολυμεράση και το μοριακό φωτοαντιγραφικό μπορεί να ξεκινήσει μια νέα διαδικασία μεταγραφής: Ο κύκλος έτσι επαναλαμβάνεται. «Με αυτόν τον τρόπο, ο νανοκινητήρας μας εκτελεί μια παλμική δράση», εξηγεί ο Mathias Centola από την ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Famulok, ο οποίος πραγματοποίησε ένα μεγάλο ποσοστό των πειραμάτων.

    Μια σούπα αλφαβήτου χρησιμεύει ως καύσιμο

    Αυτός ο κινητήρας χρειάζεται επίσης ενέργεια όπως κάθε άλλος τύπος κινητήρα. Παρέχεται από τη «σούπα αλφαβήτου» από την οποία η πολυμεράση παράγει τις μεταγραφές. Κάθε ένα από αυτά τα γράμματα (στην τεχνική ορολογία: νουκλεοτίδια) έχει μια μικρή ουρά που αποτελείται από τρεις φωσφορικές ομάδες - ένα τριφωσφορικό. Για να επισυνάψετε ένα νέο γράμμα σε μια υπάρχουσα πρόταση, η πολυμεράση πρέπει να αφαιρέσει δύο από αυτές τις φωσφορικές ομάδες. Αυτό απελευθερώνει ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιήσει για τη σύνδεση των γραμμάτων μεταξύ τους. «Ο κινητήρας μας χρησιμοποιεί έτσι τριφωσφορικά νουκλεοτίδια ως καύσιμο», λέει ο Famulok. "Μπορεί να συνεχίσει να εκτελείται μόνο όταν είναι διαθέσιμος επαρκής αριθμός από αυτά." Παρακολουθώντας μεμονωμένους νανοκινητήρες, ένας από τους εταίρους συνεργασίας που εδρεύει στην πολιτεία του Μίσιγκαν των ΗΠΑ μπόρεσε να αποδείξει ότι πραγματοποιούν πραγματικά την αναμενόμενη κίνηση. Μια ερευνητική ομάδα στην Αριζόνα προσομοίωσε επίσης τη διαδικασία σε υπολογιστές υψηλής ταχύτητας. Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν, για παράδειγμα, για τη βελτιστοποίηση του κινητήρα ώστε να λειτουργεί με συγκεκριμένο ρυθμό παλμών. Επιπλέον, οι ερευνητές μπόρεσαν να αποδείξουν ότι ο κινητήρας μπορεί εύκολα να συνδυαστεί με άλλες δομές. Αυτό θα πρέπει να του επιτρέπει, για παράδειγμα, να περιπλανιέται σε μια επιφάνεια - παρόμοια με ένα σκουλήκι που τραβιέται κατά μήκος ενός κλάδου με το δικό του χαρακτηριστικό στυλ. «Σχεδιάζουμε επίσης να παράγουμε έναν τύπο συμπλέκτη που θα μας επιτρέπει να χρησιμοποιούμε την ισχύ του κινητήρα μόνο σε συγκεκριμένες στιγμές και διαφορετικά να τον αφήνουμε στο ρελαντί», εξηγεί η Famulok. Μακροπρόθεσμα, ο κινητήρας θα μπορούσε να γίνει η καρδιά μιας πολύπλοκης νανομηχανής. «Ωστόσο, υπάρχει ακόμη πολλή δουλειά που πρέπει να γίνει πριν φτάσουμε σε αυτό το στάδιο».

    Σφραγίδα ώρας:

    Περισσότερα από Νανοχόκ