Forskare designar en pulserande nanomotor

Forskare designar en pulserande nanomotor

Tidsstämpel: 19 oktober 2023 10:37
Källnod: 2945091
19 oktober 2023 (Nanowerk Nyheter) Ett internationellt team av forskare under ledning av universitetet i Bonn har utvecklat en ny typ av nanomotor. Den drivs av en smart mekanism och kan utföra pulserande rörelser. Forskarna planerar nu att förse den med en koppling och installera den som en drivenhet i komplexa maskiner.

Key Takeaways

  • Forskare har utvecklat en ny typ av nanomotor som utför pulserande rörelser som liknar en handgreppstränare, men som är en miljon gånger mindre.
  • Nanomotorn använder RNA-polymeraser för att röra sig längs en DNA-sträng, drar dess handtag närmare varandra i en cykel, och efterliknar funktionen hos proteiner i celler.
  • Denna unika motor drivs av nukleotidtrifosfater, samma energikälla som används av celler för att skapa proteiner.
  • Motorn har visat sig vara lätt att kombinera med andra strukturer, vilket tyder på dess potentiella användning i komplexa nanomaskiner.
  • Ytterligare arbete görs för att optimera nanomotorns prestanda, inklusive utveckling av ett kopplingssystem för att kontrollera dess aktivitet.
    • en ny typ av nanomotor med ett RNA-polymeras, som drar ihop de två "handtagen" och sedan släpper dem igen. Detta genererar en pulserande rörelse. Den nya typen av nanomotor med ett RNA-polymeras, som drar ihop de två "handtagen" och sedan släpper dem igen. Detta genererar en pulserande rörelse. (Bild: Mathias Centola, universitetet i Bonn)

    Forskningen

    Teamets resultat har nu dykt upp i journalen Natur nanoteknik ("En rytmiskt pulserande bladfjädrande DNA-origami nanomotor som driver en passiv följare"). Denna nya typ av motor liknar en handgreppstränare som stärker ditt grepp när den används regelbundet. Motorn är dock cirka en miljon gånger mindre. Två handtag är förbundna med en fjäder i en V-formad struktur. I en handtagstränare klämmer du ihop handtagen mot fjäderns motstånd. När du släpper greppet trycker fjädern tillbaka handtagen till sitt ursprungliga läge. "Vår motor använder en mycket liknande princip", förklarar Prof. Dr. Michael Famulok från Life and Medical Sciences (LIMES) Institute vid universitetet i Bonn. "Men handtagen pressas inte ihop utan dras snarare ihop." För detta ändamål har forskarna återanvänt en mekanism utan vilken det inte skulle finnas några växter eller djur. Varje cell är utrustad med ett slags bibliotek. Den innehåller ritningarna för alla typer av proteiner som cellen behöver för att utföra sin funktion. Om cellen vill producera en viss typ av protein beställer den en kopia av respektive ritning. Detta transkript produceras av RNA-polymeraser.

    RNA-polymeraser driver de pulserande rörelserna

    Den ursprungliga ritningen består av långa DNA-strängar. RNA-polymeraserna rör sig längs dessa strängar och kopierar den lagrade informationen bokstav för bokstav. "Vi tog ett RNA-polymeras och fäste det på ett av handtagen i vår nanomaskin", förklarar Famulok, som också är medlem i de tvärvetenskapliga forskningsområdena "Life & Health" och "Matter" vid universitetet i Bonn. "I nära anslutning silade vi också en DNA-sträng mellan de två handtagen. Polymeraset tar tag i denna sträng för att kopiera den. Den drar sig själv längs stativet och den icke-transkriberade delen blir allt mindre. Detta drar det andra handtaget bit för bit mot det första och trycker ihop fjädern samtidigt." DNA-strängen mellan handtagen innehåller en viss sekvens av bokstäver strax innan dess slut. Denna så kallade termineringssekvens signalerar till polymeraset att det ska släppa DNA:t. Fjädern kan nu slappna av igen och flyttar isär handtagen. Detta bringar startsekvensen för strängen nära polymeraset och den molekylära kopiatorn kan starta en ny transkriptionsprocess: Cykeln upprepas alltså. "På detta sätt utför vår nanomotor en pulserande handling", förklarar Mathias Centola från forskargruppen som leds av prof. Famulok, som utförde en stor del av experimenten.

    En alfabetsoppa fungerar som bränsle

    Denna motor behöver också energi precis som alla andra typer av motorer. Den tillhandahålls av "alfabetssoppan" från vilken polymeraset producerar transkripten. Var och en av dessa bokstäver (i teknisk terminologi: nukleotider) har en liten svans som består av tre fosfatgrupper – ett trifosfat. För att bifoga en ny bokstav till en befintlig mening måste polymeraset ta bort två av dessa fosfatgrupper. Detta frigör energi som den kan använda för att länka samman bokstäverna. "Vår motor använder alltså nukleotidtrifosfater som bränsle", säger Famulok. "Det kan bara fortsätta att köras när ett tillräckligt antal av dem är tillgängliga." Genom att övervaka enskilda nanomotorer kunde en av samarbetspartnerna baserade i den amerikanska delstaten Michigan visa att de faktiskt genomför den förväntade rörelsen. En forskargrupp i Arizona simulerade också processen på höghastighetsdatorer. Resultaten kan till exempel användas för att optimera motorn för att arbeta med en viss pulsationshastighet. Vidare kunde forskarna visa att motorn lätt kan kombineras med andra strukturer. Detta ska göra det möjligt för den att till exempel vandra över en yta – liknande en tummask som drar sig längs en gren i sin egen karaktäristiska stil. "Vi planerar också att tillverka en typ av koppling som gör det möjligt för oss att bara använda motorns kraft vid vissa tidpunkter och på annat sätt låta den stå på tomgång", förklarar Famulok. På lång sikt kan motorn bli hjärtat i en komplex nanomaskin. "Men det återstår mycket arbete innan vi når detta stadium."

    Tidsstämpel:

    Mer från Nanoverk