I ricercatori progettano un nanomotore pulsante

I ricercatori progettano un nanomotore pulsante

Timestamp: 19 ottobre 2023 10:37
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19 ott 2023 (Notizie Nanowerk) Un team internazionale di scienziati guidato dall'Università di Bonn ha sviluppato un nuovo tipo di nanomotore. È azionato da un meccanismo intelligente e può eseguire movimenti pulsanti. I ricercatori stanno ora progettando di dotarlo di un accoppiamento e di installarlo come azionamento in macchine complesse.

Punti chiave

  • I ricercatori hanno sviluppato un nuovo tipo di nanomotore che esegue movimenti pulsanti simili a quelli di un attrezzo per l'impugnatura, ma è un milione di volte più piccolo.
  • Il nanomotore utilizza le RNA polimerasi per muoversi lungo un filamento di DNA, avvicinando le sue maniglie in un ciclo, imitando la funzione delle proteine ​​nelle cellule.
  • Questo motore unico è alimentato da nucleotidi trifosfati, la stessa fonte di energia utilizzata dalle cellule per creare proteine.
  • È stato dimostrato che il motore è facilmente combinabile con altre strutture, suggerendo il suo potenziale utilizzo in nanomacchine complesse.
  • Si sta svolgendo ulteriore lavoro per ottimizzare le prestazioni del nanomotore, compreso lo sviluppo di un sistema di frizione per controllarne l'attività.
    • un nuovo tipo di nanomotore con una RNA polimerasi, che unisce le due "maniglie" e poi le rilascia nuovamente. Questo genera un movimento pulsante. Il nuovo tipo di nanomotore con una RNA polimerasi che unisce le due “maniglie” e poi le rilascia nuovamente. Questo genera un movimento pulsante. (Immagine: Mathias Centola, Università di Bonn)

    Ricerca

    I risultati del team sono ora apparsi sulla rivista Natura Nanotecnologia (“Un nanomotore DNA-origami a balestra che pulsa ritmicamente e guida un seguace passivo”). Questo nuovo tipo di motore è simile a un trainer per l'impugnatura che rafforza la presa se usato regolarmente. Tuttavia, il motore è circa un milione di volte più piccolo. Due maniglie sono collegate da una molla in una struttura a forma di V. In un trainer per l'impugnatura, stringi insieme le maniglie contro la resistenza della molla. Una volta rilasciata la presa, la molla riporta le maniglie nella posizione originale. "Il nostro motore utilizza un principio molto simile", spiega il Prof. Dr. Michael Famulok dell'Istituto di scienze biologiche e mediche (LIMES) dell'Università di Bonn. "Ma le maniglie non sono premute insieme, ma piuttosto avvicinate." A questo scopo, i ricercatori hanno riproposto un meccanismo senza il quale non esisterebbero né piante né animali. Ogni cella è dotata di una sorta di biblioteca. Contiene i progetti per tutti i tipi di proteine ​​di cui la cellula ha bisogno per svolgere la sua funzione. Se la cellula vuole produrre un certo tipo di proteina, ordina una copia del rispettivo modello. Questa trascrizione è prodotta dalle RNA polimerasi.

    Le RNA polimerasi guidano i movimenti pulsanti

    Il progetto originale è costituito da lunghi filamenti di DNA. Le RNA polimerasi si muovono lungo questi filamenti e copiano lettera per lettera le informazioni immagazzinate. "Abbiamo preso una RNA polimerasi e l'abbiamo attaccata a una delle maniglie della nostra nanomacchina", spiega Famulok, che è anche membro dei settori di ricerca transdisciplinare "Life & Health" e "Matter" dell'Università di Bonn. “Nelle immediate vicinanze, abbiamo anche teso un filamento di DNA tra le due maniglie. La polimerasi si aggrappa a questo filamento per copiarlo. Si trascina lungo il supporto e la parte non trascritta diventa sempre più piccola. Questo tira poco a poco la seconda maniglia verso la prima, comprimendo allo stesso tempo la molla. Il filamento di DNA tra le maniglie contiene una particolare sequenza di lettere poco prima della sua fine. Questa cosiddetta sequenza di terminazione segnala alla polimerasi di lasciare andare il DNA. La molla ora può rilassarsi nuovamente e allontanare le maniglie. Ciò avvicina la sequenza iniziale del filamento alla polimerasi e il copiatore molecolare può avviare un nuovo processo di trascrizione: il ciclo si ripete. "In questo modo il nostro nanomotore svolge un'azione pulsante", spiega Mathias Centola del gruppo di ricerca guidato dal Prof. Famulok, che ha effettuato gran parte degli esperimenti.

    Una zuppa alfabetica funge da combustibile

    Anche questo motore necessita di energia proprio come qualsiasi altro tipo di motore. È fornito dalla “zuppa alfabetica” da cui la polimerasi produce le trascrizioni. Ognuna di queste lettere (nella terminologia tecnica: nucleotidi) ha una piccola coda composta da tre gruppi fosfato: un trifosfato. Per allegare una nuova lettera ad una frase esistente, la polimerasi deve rimuovere due di questi gruppi fosfato. Questo rilascia energia che può utilizzare per collegare insieme le lettere. "Il nostro motore utilizza quindi i nucleotidi trifosfati come carburante", afferma Famulok. “Potrà continuare a funzionare solo quando ne sarà disponibile un numero sufficiente”. Uno dei partner di cooperazione con sede nello stato americano del Michigan, monitorando i singoli nanomotori, è riuscito a dimostrare che eseguono effettivamente il movimento previsto. Anche un gruppo di ricerca in Arizona ha simulato il processo su computer ad alta velocità. I risultati potrebbero essere utilizzati, ad esempio, per ottimizzare il motore affinché funzioni a una particolare frequenza di pulsazione. Inoltre, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che il motore può essere facilmente combinato con altre strutture. Ciò dovrebbe consentirgli, ad esempio, di vagare su una superficie, in modo simile a un verme che si trascina lungo un ramo nel suo stile caratteristico. "Stiamo anche progettando di produrre un tipo di frizione che ci consentirà di utilizzare la potenza del motore solo in determinati momenti e di lasciarlo altrimenti al minimo", spiega Famulok. A lungo termine il motore potrebbe diventare il cuore di una complessa nanomacchina. “Tuttavia, c’è ancora molto lavoro da fare prima di raggiungere questa fase”.

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