Các nhà nghiên cứu thiết kế một động cơ nano xung

Các nhà nghiên cứu thiết kế một động cơ nano xung

Dấu thời gian: 19 tháng 2023 năm 10 37:XNUMX sáng
Nút nguồn: 2945091
Ngày 19 tháng 2023 năm XNUMX (Tin tức Nanowerk) Một nhóm các nhà khoa học quốc tế do Đại học Bonn đứng đầu đã phát triển một loại động cơ nano mới. Nó được điều khiển bởi một cơ chế thông minh và có thể thực hiện các chuyển động nhịp nhàng. Các nhà nghiên cứu hiện đang lên kế hoạch lắp nó bằng một khớp nối và lắp đặt nó như một bộ truyền động trong các máy phức tạp.

Chìa khóa chính

  • Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại động cơ nano mới thực hiện các chuyển động xung tương tự như máy tập cầm nắm nhưng nhỏ hơn hàng triệu lần.
  • Động cơ nano sử dụng RNA polymerase để di chuyển dọc theo chuỗi DNA, kéo các tay cầm của nó lại gần nhau hơn trong một chu kỳ, bắt chước chức năng của protein trong tế bào.
  • Động cơ độc đáo này được cung cấp năng lượng bởi nucleotide triphosphate, nguồn năng lượng tương tự được tế bào sử dụng để tạo ra protein.
  • Động cơ này đã được chứng minh là có thể dễ dàng kết hợp với các cấu trúc khác, cho thấy tiềm năng ứng dụng của nó trong các cỗ máy nano phức tạp.
  • Công việc tiếp theo đang được thực hiện để tối ưu hóa hiệu suất của động cơ nano, bao gồm cả việc phát triển hệ thống ly hợp để kiểm soát hoạt động của nó.
    • một loại động cơ nano mới có RNA polymerase, giúp kéo hai 'tay cầm' lại với nhau rồi lại thả chúng ra. Điều này tạo ra một chuyển động xung. Loại động cơ nano mới có RNA polymerase, giúp kéo hai “tay cầm” lại với nhau rồi thả chúng ra lần nữa. Điều này tạo ra một chuyển động xung. (Ảnh: Mathias Centola, Đại học Bonn)

    Nghiên cứu

    Những phát hiện của nhóm hiện đã xuất hiện trên tạp chí Công nghệ nano tự nhiên (“Động cơ nano DNA-origami lò xo lá chuyển động nhịp nhàng điều khiển người theo dõi thụ động”). Loại động cơ mới này tương tự như máy tập cầm nắm giúp tăng cường khả năng cầm nắm của bạn khi sử dụng thường xuyên. Tuy nhiên, động cơ nhỏ hơn khoảng một triệu lần. Hai tay cầm được nối với nhau bằng lò xo có cấu trúc hình chữ V. Trong máy tập cầm tay, bạn bóp các tay cầm lại với nhau để chống lại lực cản của lò xo. Khi bạn thả tay cầm ra, lò xo sẽ ​​đẩy tay cầm về vị trí ban đầu. Giáo sư Tiến sĩ Michael Famulok từ Viện Khoa học Đời sống và Y tế (LIMES) tại Đại học Bonn giải thích: “Động cơ của chúng tôi sử dụng một nguyên lý rất giống nhau”. “Nhưng tay cầm không được ấn vào nhau mà được kéo lại với nhau.” Với mục đích này, các nhà nghiên cứu đã tái sử dụng một cơ chế mà nếu không có cơ chế này thì sẽ không có thực vật hoặc động vật. Mỗi tế bào đều được trang bị một loại thư viện. Nó chứa các bản thiết kế cho tất cả các loại protein mà tế bào cần để thực hiện chức năng của nó. Nếu tế bào muốn sản xuất một loại protein nhất định, nó sẽ yêu cầu một bản sao của bản thiết kế tương ứng. Bản phiên mã này được tạo ra bởi RNA polymerase.

    RNA polymerase điều khiển các chuyển động đập

    Bản thiết kế ban đầu bao gồm các chuỗi DNA dài. Các RNA polymerase di chuyển dọc theo các chuỗi này và sao chép từng chữ cái thông tin được lưu trữ. Famulok, người cũng là thành viên của nhóm nghiên cứu xuyên ngành “Cuộc sống & Sức khỏe” và “Vật chất” tại Đại học Bonn, giải thích: “Chúng tôi lấy RNA polymerase và gắn nó vào một trong các tay cầm trong máy nano của chúng tôi”. “Ở khoảng cách gần, chúng tôi cũng căng một sợi DNA vào giữa hai tay cầm. Polymerase bám vào sợi này để sao chép nó. Nó tự kéo dọc theo giá đỡ và phần không được phiên âm ngày càng nhỏ hơn. Việc này sẽ kéo tay cầm thứ hai từng chút một về phía tay cầm thứ nhất, đồng thời nén lò xo.” Chuỗi DNA giữa các tay cầm chứa một chuỗi các chữ cái cụ thể ngay trước khi kết thúc. Cái gọi là trình tự kết thúc này báo hiệu cho polymerase rằng nó sẽ loại bỏ DNA. Bây giờ lò xo có thể giãn ra trở lại và di chuyển các tay cầm ra xa nhau. Điều này đưa trình tự bắt đầu của chuỗi đến gần polymerase và máy sao chép phân tử có thể bắt đầu một quá trình phiên mã mới: Chu kỳ này lặp lại. Mathias Centola từ nhóm nghiên cứu do Giáo sư Famulok đứng đầu, người đã thực hiện phần lớn các thí nghiệm, giải thích: “Bằng cách này, động cơ nano của chúng tôi thực hiện một hoạt động tạo xung.

    Một món súp bảng chữ cái dùng làm nhiên liệu

    Động cơ này cũng cần năng lượng giống như bất kỳ loại động cơ nào khác. Nó được cung cấp bởi “súp bảng chữ cái” mà từ đó polymerase tạo ra các bản phiên mã. Mỗi chữ cái này (theo thuật ngữ kỹ thuật: nucleotide) đều có một đuôi nhỏ bao gồm ba nhóm photphat – một triphosphate. Để gắn một chữ cái mới vào câu hiện có, polymerase phải loại bỏ hai nhóm photphat này. Điều này giải phóng năng lượng mà nó có thể sử dụng để liên kết các chữ cái lại với nhau. Famulok cho biết: “Do đó, động cơ của chúng tôi sử dụng nucleotide triphosphate làm nhiên liệu. “Nó chỉ có thể tiếp tục chạy khi có đủ số lượng.” Bằng cách giám sát các động cơ nano riêng lẻ, một trong những đối tác hợp tác có trụ sở tại bang Michigan của Hoa Kỳ đã có thể chứng minh rằng chúng thực sự thực hiện chuyển động như mong đợi. Một nhóm nghiên cứu ở Arizona cũng mô phỏng quá trình này trên máy tính tốc độ cao. Ví dụ, kết quả có thể được sử dụng để tối ưu hóa động cơ hoạt động ở tốc độ xung cụ thể. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã có thể chứng minh rằng động cơ có thể dễ dàng kết hợp với các cấu trúc khác. Ví dụ, điều này sẽ giúp nó có thể đi lang thang trên một bề mặt - tương tự như một con sâu inch tự kéo mình dọc theo cành cây theo phong cách đặc trưng của riêng nó. Famulok giải thích: “Chúng tôi cũng đang có kế hoạch sản xuất một loại ly hợp cho phép chúng tôi chỉ sử dụng sức mạnh của động cơ vào những thời điểm nhất định và nếu không thì để nó ở chế độ không tải”. Về lâu dài, động cơ có thể trở thành trái tim của cỗ máy nano phức tạp. “Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều việc phải làm trước khi chúng ta đạt đến giai đoạn này.”

    Dấu thời gian:

    Thêm từ công trình nano