Naukowcy projektują pulsujący nanosilnik

Naukowcy projektują pulsujący nanosilnik

Znacznik czasu: 19 października 2023 10:37
Węzeł źródłowy: 2945091
19 października 2023 (Wiadomości Nanowerk) Międzynarodowy zespół naukowców pod przewodnictwem Uniwersytetu w Bonn opracował nowatorski typ nanomotoru. Napędzany jest sprytnym mechanizmem i może wykonywać ruchy pulsacyjne. Naukowcy planują teraz wyposażyć go w sprzęgło i zainstalować jako napęd w skomplikowanych maszynach.

Na wynos

  • Naukowcy opracowali nowy typ nanosilnika, który wykonuje ruchy pulsacyjne podobne do trenażera uścisku dłoni, ale jest milion razy mniejszy.
  • Nanomotor wykorzystuje polimerazy RNA do poruszania się wzdłuż nici DNA, zbliżając swoje uchwyty do siebie w cyklu, naśladując funkcję białek w komórkach.
  • Ten unikalny silnik napędzany jest trifosforanami nukleotydów, tym samym źródłem energii, którego używają komórki do tworzenia białek.
  • Wykazano, że silnik można łatwo łączyć z innymi konstrukcjami, co sugeruje jego potencjalne zastosowanie w złożonych nanomaszynach.
  • Prowadzone są dalsze prace nad optymalizacją wydajności nanosilnika, w tym nad opracowaniem układu sprzęgła kontrolującego jego działanie.
    • nowatorski typ nanomotoru z polimerazą RNA, który ściąga ze sobą dwa „uchwyty”, a następnie ponownie je uwalnia. Generuje to pulsujący ruch. Nowatorski typ nanomotoru z polimerazą RNA, który ściąga ze sobą dwa „uchwyty”, a następnie ponownie je uwalnia. Generuje to pulsujący ruch. (Zdjęcie: Mathias Centola, Uniwersytet w Bonn)

    Badanie

    Odkrycia zespołu ukazały się teraz w czasopiśmie Natura Nanotechnologia („Rytmicznie pulsujący nanosilnik DNA origami z liśćmi, który napędza pasywnego naśladowcę”). Ten nowatorski typ silnika przypomina trenażer uścisku dłoni, który wzmacnia chwyt przy regularnym użytkowaniu. Jednak silnik jest około milion razy mniejszy. Dwa uchwyty połączone są sprężyną w konstrukcji w kształcie litery V. W trenażerze do ściskania dłoni ściskasz uchwyty, pokonując opór sprężyny. Po zwolnieniu chwytu sprężyna popycha uchwyty z powrotem do ich pierwotnej pozycji. „Nasz silnik działa na bardzo podobnej zasadzie” – wyjaśnia prof. dr Michael Famulok z Instytutu Nauk Przyrodniczych i Medycznych (LIMES) na Uniwersytecie w Bonn. „Ale uchwyty nie są ściśnięte, ale raczej ściągnięte”. W tym celu naukowcy zmodyfikowali mechanizm, bez którego nie byłoby roślin ani zwierząt. Każda komórka jest wyposażona w swego rodzaju bibliotekę. Zawiera plany wszystkich typów białek potrzebnych komórce do wykonywania swoich funkcji. Jeśli komórka chce wyprodukować określony rodzaj białka, zamawia kopię odpowiedniego planu. Transkrypt ten jest wytwarzany przez polimerazy RNA.

    Polimerazy RNA napędzają ruchy pulsacyjne

    Oryginalny plan składa się z długich nici DNA. Polimerazy RNA poruszają się wzdłuż tych nici i kopiują przechowywaną informację litera po literze. „Wzięliśmy polimerazę RNA i przyczepiliśmy ją do jednego z uchwytów naszej nanomaszyny” – wyjaśnia Famulok, który jest także członkiem transdyscyplinarnych obszarów badawczych „Życie i zdrowie” oraz „Materia” na Uniwersytecie w Bonn. „W bliskiej odległości naciągnęliśmy także nić DNA pomiędzy dwoma uchwytami. Polimeraza chwyta tę nić, aby ją skopiować. Ciągnie się wzdłuż stojaka, a nietranskrybowany fragment staje się coraz mniejszy. To pociąga drugi uchwyt stopniowo w stronę pierwszego, jednocześnie ściskając sprężynę. Nić DNA pomiędzy uchwytami zawiera określoną sekwencję liter na krótko przed swoim końcem. Ta tak zwana sekwencja terminacji sygnalizuje polimerazie, że powinna wypuścić DNA. Sprężyna może teraz ponownie się rozluźnić i rozsunąć uchwyty. To przybliża sekwencję początkową nici do polimerazy, a kopiarka molekularna może rozpocząć nowy proces transkrypcji: cykl się zatem powtarza. „W ten sposób nasz nanomotor wykonuje działanie pulsacyjne” – wyjaśnia Mathias Centola z grupy badawczej kierowanej przez prof. Famuloka, który przeprowadził dużą część eksperymentów.

    Zupa alfabetyczna służy jako paliwo

    Silnik ten również potrzebuje energii, tak jak każdy inny typ silnika. Dostarcza go „zupa alfabetyczna”, z której polimeraza wytwarza transkrypty. Każda z tych liter (w terminologii technicznej: nukleotydy) ma mały ogon składający się z trzech grup fosforanowych – trifosforanu. Aby dołączyć nową literę do istniejącego zdania, polimeraza musi usunąć dwie z tych grup fosforanowych. Uwalnia to energię, którą może wykorzystać do łączenia liter. „Nasz silnik wykorzystuje zatem trifosforany nukleotydów jako paliwo” – mówi Famulok. „Może działać dalej tylko wtedy, gdy będzie ich wystarczająca liczba”. Monitorując poszczególne nanomotory, jeden z partnerów współpracy z siedzibą w amerykańskim stanie Michigan był w stanie wykazać, że faktycznie wykonują one oczekiwany ruch. Grupa badawcza w Arizonie również przeprowadziła symulację tego procesu na szybkich komputerach. Wyniki można wykorzystać na przykład do optymalizacji silnika do pracy przy określonej częstotliwości pulsacji. Ponadto badaczom udało się wykazać, że silnik można łatwo łączyć z innymi konstrukcjami. Powinno to umożliwić mu na przykład wędrowanie po powierzchni – podobnie do robaka calowego, który w swoim charakterystycznym stylu ciągnie się wzdłuż gałęzi. „Planujemy również wyprodukować taki rodzaj sprzęgła, który pozwoli nam wykorzystać moc silnika tylko w określonych momentach, a poza tym pozostawić go na biegu jałowym” – wyjaśnia Famulok. W dłuższej perspektywie silnik może stać się sercem złożonej nanomaszyny. „Jednak zanim osiągniemy ten etap, pozostaje jeszcze wiele do zrobienia”.

    Znak czasu:

    Więcej z Nanowerk