Forskere designer en pulserende nanomotor

Forskere designer en pulserende nanomotor

Tidsstempel: 19. oktober 2023 10:37
Kilde node: 2945091
19. oktober 2023 (Nanowerk Nyheter) Et internasjonalt team av forskere ledet av universitetet i Bonn har utviklet en ny type nanomotor. Den drives av en smart mekanisme og kan utføre pulserende bevegelser. Forskerne planlegger nå å utstyre den med en kobling og installere den som en drivenhet i komplekse maskiner.

Nøkkelfunksjoner

  • Forskere har utviklet en ny type nanomotor som utfører pulserende bevegelser som ligner på en håndgrepstrener, men som er en million ganger mindre.
  • Nanomotoren bruker RNA-polymeraser til å bevege seg langs en DNA-streng, og trekker håndtakene nærmere hverandre i en syklus, og etterligner funksjonen til proteiner i cellene.
  • Denne unike motoren drives av nukleotidtrifosfater, den samme energikilden som brukes av celler til å lage proteiner.
  • Motoren har vist seg å være lett å kombinere med andre strukturer, noe som tyder på potensiell bruk i komplekse nanomaskiner.
  • Det jobbes videre med å optimalisere nanomotorens ytelse, inkludert utvikling av et clutchsystem for å kontrollere aktiviteten.
    • en ny type nanomotor med en RNA-polymerase, som trekker de to "håndtakene" sammen og deretter frigjør dem igjen. Dette genererer en pulserende bevegelse. Den nye typen nanomotor med en RNA-polymerase, som trekker de to "håndtakene" sammen og deretter frigjør dem igjen. Dette genererer en pulserende bevegelse. (Bilde: Mathias Centola, Universitetet i Bonn)

    Forskningen

    Lagets funn har nå dukket opp i journalen Natur Nanoteknologi ("En rytmisk pulserende bladfjær DNA-origami nanomotor som driver en passiv følger"). Denne nye motortypen ligner på en håndgrepstrener som styrker grepet når den brukes regelmessig. Motoren er imidlertid rundt en million ganger mindre. To håndtak er forbundet med en fjær i en V-formet struktur. I en håndgrepstrener klemmer du håndtakene sammen mot motstanden fra fjæren. Når du slipper grepet, skyver fjæren håndtakene tilbake til sin opprinnelige posisjon. "Vår motor bruker et veldig likt prinsipp," forklarer prof. Dr. Michael Famulok fra Life and Medical Sciences (LIMES) Institute ved Universitetet i Bonn. "Men håndtakene er ikke presset sammen, men snarere trukket sammen." For dette formålet har forskerne gjenbrukt en mekanisme uten hvilken det ikke ville vært planter eller dyr. Hver celle er utstyrt med et slags bibliotek. Den inneholder tegninger for alle typer proteiner som cellen trenger for å utføre sin funksjon. Hvis cellen ønsker å produsere en bestemt type protein, bestiller den en kopi av den respektive planen. Dette transkripsjonen produseres av RNA-polymeraser.

    RNA-polymeraser driver de pulserende bevegelsene

    Den originale planen består av lange DNA-tråder. RNA-polymerasene beveger seg langs disse trådene og kopierer den lagrede informasjonen bokstav for bokstav. "Vi tok en RNA-polymerase og festet den til et av håndtakene i nanomaskinen vår," forklarer Famulok, som også er medlem av de tverrfaglige forskningsområdene "Life & Health" og "Matter" ved Universitetet i Bonn. «I umiddelbar nærhet silte vi også en DNA-streng mellom de to håndtakene. Polymerasen tar tak i denne tråden for å kopiere den. Den trekker seg langs stativet og den ikke-transkriberte delen blir stadig mindre. Dette trekker det andre håndtaket bit for bit mot det første, og komprimerer samtidig fjæren." DNA-tråden mellom håndtakene inneholder en bestemt sekvens av bokstaver kort tid før slutten. Denne såkalte termineringssekvensen signaliserer til polymerasen at den skal gi slipp på DNA. Fjæren kan nå slappe av igjen og flytter håndtakene fra hverandre. Dette bringer startsekvensen til tråden nær polymerasen, og molekylkopimaskinen kan starte en ny transkripsjonsprosess: Syklusen gjentas dermed. "På denne måten utfører vår nanomotor en pulserende handling," forklarer Mathias Centola fra forskningsgruppen ledet av prof. Famulok, som utførte en stor del av eksperimentene.

    En alfabetsuppe fungerer som drivstoff

    Denne motoren trenger også energi akkurat som alle andre motortyper. Den leveres av "alfabetsuppen" som polymerasen produserer transkripsjonene fra. Hver og en av disse bokstavene (i teknisk terminologi: nukleotider) har en liten hale som består av tre fosfatgrupper - et trifosfat. For å knytte en ny bokstav til en eksisterende setning, må polymerasen fjerne to av disse fosfatgruppene. Dette frigjør energi som den kan bruke til å knytte bokstavene sammen. "Motoren vår bruker derfor nukleotidtrifosfater som drivstoff," sier Famulok. "Den kan bare fortsette å kjøre når et tilstrekkelig antall av dem er tilgjengelig." Ved å overvåke individuelle nanomotorer kunne en av samarbeidspartnerne basert i den amerikanske delstaten Michigan demonstrere at de faktisk utfører den forventede bevegelsen. En forskergruppe i Arizona simulerte også prosessen på høyhastighets datamaskiner. Resultatene kan for eksempel brukes til å optimalisere motoren til å fungere med en bestemt pulsasjonshastighet. Videre kunne forskerne demonstrere at motoren lett kan kombineres med andre strukturer. Dette skal gjøre det mulig for den for eksempel å vandre over en flate – lik en tommeorm som drar seg langs en gren i sin egen karakteristiske stil. "Vi planlegger også å produsere en type clutch som vil tillate oss å bare bruke kraften til motoren til bestemte tider og ellers la den stå på tomgang," forklarer Famulok. På lang sikt kan motoren bli hjertet i en kompleks nanomaskin. "Men det er fortsatt mye arbeid som gjenstår før vi når dette stadiet."

    Tidstempel:

    Mer fra Nanowerk