Создан первый электрический наномотор из материала ДНК

Исследовательской группе из Мюнхенского технического университета (Германия) впервые удалось создать молекулярный электродвигатель с использованием метода ДНК-оригами. Крошечная машина, сделанная из генетического материала, самособирается и преобразует электрическую энергию в кинетическую. Новые наномоторы можно включать и выключать, а также можно контролировать скорость и направление вращения.

Научная статья вышла в журнале Nature, о разработке сообщает Мюнхенский технический университет.

В автомобилях, дрелях или автоматических кофемолках — двигатели помогают нам выполнять работу для решения самых разных задач. В гораздо меньших масштабах естественные молекулярные моторы выполняют жизненно важные задачи в нашем организме. Например, моторный белок, известный как АТФ-синтаза, производит молекулу аденозинтрифосфата (АТФ), которую наш организм использует для краткосрочного хранения и передачи энергии. Хотя природные молекулярные моторы необходимы, воссоздать механизмы такого масштаба со свойствами, примерно подобными природным, сложно.

Новый молекулярный мотор состоит из ДНК — генетического материала. Исследователи использовали метод ДНК-оригами, чтобы собрать двигатель. Этот метод был изобретен Полом Ротемундом в 2006 году, а затем доработан исследовательской группой. Несколько длинных одиночных нитей ДНК служат основой, к которой прикрепляются дополнительные. Последовательности ДНК выбираются таким образом, чтобы присоединенные нити и складки создавали желаемые структуры.

«Мы можем создавать очень точные и сложные объекты, например, молекулярные переключатели или полые тела, которые могут улавливать вирусы. Если вы поместите нити ДНК с правильными последовательностями в раствор, объекты самособираются», — говорит руководитель исследования Хендрик Дитц.

Новый наномотор состоит из трех компонентов: основания, платформы и плеча ротора. Основание имеет высоту около 40 нанометров и прикреплено к стеклянной пластине в растворе с помощью химических связей. На основание крепится плечо ротора длиной до 500 нанометров, которое может вращаться. Еще один компонент имеет решающее значение для правильной работы двигателя: платформа, которая находится между основанием и плечом ротора. Эта платформа содержит препятствия, влияющие на движение рычага ротора. Чтобы преодолевать препятствия и вращаться, плечо ротора должно немного изгибаться вверх, подобно храповику. Как только через два электрода подается переменное напряжение, лопасти ротора целенаправленно и непрерывно вращаются в одном направлении.

«Новый двигатель обладает беспрецедентными механическими возможностями: он может развивать крутящий момент в диапазоне 10 пиконьютонов умноженных на нанометры. И он может генерировать больше энергии в секунду, чем высвобождается при расщеплении двух молекул АТФ», — объясняет Рамин Голестанян, руководивший теоретическим анализом.

Исследователи могут контролировать скорость и направление вращения через направление электрического поля, а также через частоту и амплитуду переменного напряжения.

«Новый двигатель может найти применение в будущем для управления химическими реакциями», — говорит Дитц.