Исследователи разработали импульсный наномотор

Исследователи разработали импульсный наномотор

Отметка времени: 19 октября 2023 г., 10:37
Исходный узел: 2945091
19 октября 2023 г. (Новости Наноуэрк) Международная группа учёных во главе с Боннским университетом разработала новый тип наномотора. Он приводится в движение умным механизмом и может совершать пульсирующие движения. Теперь исследователи планируют снабдить его муфтой и установить в качестве привода в сложных машинах.

Основные выводы

  • Исследователи разработали новый тип наномотора, который выполняет пульсирующие движения, аналогичные тренажеру для ручного захвата, но в миллион раз меньше.
  • Наномотор использует РНК-полимеразы для перемещения по цепи ДНК, сближая ее ручки в цикле, имитируя функцию белков в клетках.
  • Этот уникальный двигатель приводится в действие нуклеотид-трифосфатами — тем же источником энергии, который клетки используют для создания белков.
  • Было продемонстрировано, что двигатель легко комбинируется с другими конструкциями, что предполагает его потенциальное использование в сложных наномашинах.
  • Ведутся дальнейшие работы по оптимизации работы наномотора, включая разработку системы сцепления для управления его работой.
    • новый тип наномотора с РНК-полимеразой, которая стягивает две «ручки» вместе, а затем снова отпускает их. Это создает пульсирующее движение. Новый тип наномотора с РНК-полимеразой, которая стягивает две «ручки» вместе, а затем снова их отпускает. Это создает пульсирующее движение. (Изображение: Матиас Чентола, Боннский университет)

    Исследование

    Выводы команды теперь опубликованы в журнале. Природа Нанотехнология («Ритмично пульсирующий нанодвигатель ДНК-оригами с листовой пружиной, приводящий в движение пассивного ведомого»). Этот новый тип двигателя похож на тренажер для хвата рук, который укрепляет хват при регулярном использовании. Однако двигатель примерно в миллион раз меньше. Две ручки соединены пружиной в V-образную конструкцию. В тренажере для ручного хвата вы сжимаете ручки вместе, преодолевая сопротивление пружины. Как только вы отпустите захват, пружина вернет ручки в исходное положение. «Наш двигатель использует очень похожий принцип», — объясняет профессор доктор Майкл Фамулок из Института биологических и медицинских наук (LIMES) Боннского университета. «Но ручки не прижимаются друг к другу, а скорее стягиваются». Для этого исследователи перепрофилировали механизм, без которого не было бы ни растений, ни животных. Каждая камера оборудована своего рода библиотекой. Он содержит схемы всех типов белков, которые необходимы клетке для выполнения ее функций. Если клетка хочет производить определенный тип белка, она заказывает копию соответствующего проекта. Этот транскрипт продуцируется РНК-полимеразой.

    РНК-полимеразы управляют пульсирующими движениями.

    Первоначальный проект состоит из длинных нитей ДНК. РНК-полимеразы движутся по этим нитям и копируют хранящуюся информацию букву за буквой. «Мы взяли РНК-полимеразу и прикрепили ее к одной из ручек нашей наномашины», — объясняет Фамулок, который также является членом трансдисциплинарных исследовательских направлений «Жизнь и здоровье» и «Материя» в Боннском университете. «В непосредственной близости мы также натянули нить ДНК между двумя ручками. Полимераза захватывает эту нить и копирует ее. Он тянется вдоль подставки, и нетранскрибируемая часть становится все меньше. Это постепенно притягивает вторую ручку к первой, одновременно сжимая пружину». Нить ДНК между ручками незадолго до конца содержит определенную последовательность букв. Эта так называемая терминационная последовательность сигнализирует полимеразе, что ей следует отпустить ДНК. Теперь пружина снова может расслабиться и раздвинуть ручки. Это приближает стартовую последовательность цепи к полимеразе, и молекулярный копировальный аппарат может начать новый процесс транскрипции: таким образом, цикл повторяется. «Таким образом, наш наномотор выполняет пульсирующее действие», — объясняет Матиас Чентола из исследовательской группы, возглавляемой профессором Фамулоком, который провел большую часть экспериментов.

    Алфавитный суп служит топливом

    Этот двигатель также нуждается в энергии, как и любой другой тип двигателя. Его обеспечивает «алфавитный суп», из которого полимераза производит транскрипты. Каждая из этих букв (в технической терминологии: нуклеотиды) имеет небольшой хвостик, состоящий из трех фосфатных групп – трифосфата. Чтобы присоединить новую букву к существующему предложению, полимераза должна удалить две из этих фосфатных групп. При этом высвобождается энергия, которую можно использовать для соединения букв вместе. «Поэтому наш двигатель использует нуклеотидтрифосфаты в качестве топлива», — говорит Фамулок. «Он сможет продолжать работать только тогда, когда их будет достаточно». Контролируя отдельные наномоторы, один из партнеров по сотрудничеству, базирующийся в американском штате Мичиган, смог продемонстрировать, что они действительно выполняют ожидаемое движение. Исследовательская группа в Аризоне также смоделировала этот процесс на высокоскоростных компьютерах. Результаты можно использовать, например, для оптимизации работы двигателя с определенной частотой пульсации. Кроме того, исследователям удалось продемонстрировать, что двигатель можно легко комбинировать с другими конструкциями. Это должно позволить ему, например, бродить по поверхности – подобно червю, который ползет по ветке в своем характерном стиле. «Мы также планируем создать такой тип сцепления, который позволит нам использовать мощность двигателя только в определенное время, а в противном случае оставлять его на холостом ходу», — объясняет Фамулок. В долгосрочной перспективе двигатель может стать сердцем сложной наномашины. «Однако, прежде чем мы достигнем этой стадии, предстоит еще много работы».

    Отметка времени:

    Больше от нанотехнология