Een team van onderzoekers onder leiding van prof. Cees Dekker van de TU Delft, in samenwerking met internationale collega’s, introduceert een baanbrekende doorbraak in de wereld van nanomotoren - de DNA origami nanoturbine. Dit apparaat op nanoschaal zou een paradigmaverschuiving kunnen betekenen, waarbij energie uit ionengradiënten of elektrische potentiaal door een nanoporie in vaste vorm wordt gebruikt om de turbine tot mechanische rotaties aan te drijven. De kern van deze baanbrekende ontdekking is het ontwerp, de constructie en de aangedreven beweging van een ’DNA origami’ turbine, met drie chirale bladen, allemaal binnen een minuscuul frame van 25 nanometer, die werken in een nanopore op basis van vaste stoffen. Door op ingenieuze wijze twee chirale turbines te ontwerpen, kunnen de onderzoekers nu de draairichting bepalen, met de klok mee of tegen de klok in. Hun onderzoeksresultaten zijn op 26 oktober gepubliceerd in Nature Nanotechnology.
We hebben onze eigen nanoturbines gemaakt die onze gewenste processen kunnen aandrijven
Dr. Xin Shi
Nanoturbines: het hart van vooruitgang
Door stroming aangedreven turbines vormen het hart van veel revolutionaire machines die onze samenlevingen hebben gevormd, van windmolens tot vliegtuigen. Zelfs het leven zelf is kritisch afhankelijk van turbines voor fundamentele processen, zoals het FoF1-ATP synthase dat brandstoffen produceert voor biologische cellen en de bacteriële flagellamotor die bacteriën voortstuwt. "Onze nanoturbine heeft een rotor met een diameter van 25 nanometer gemaakt van DNA-materiaal met bladen die rechts- of linksdraaiend zijn geconfigureerd om de draairichting te regelen. Om te werken wordt deze structuur gedockt in een sterke waterstroom, gestuurd door een elektrisch veld of zoutconcentratieverschil, vanuit een nanoporie, een piepkleine opening, in een dun membraan. We gebruikten onze turbine om een stijve staaf tot 10 omwentelingen per seconde aan te drijven", zegt Shi.
Een fascinerende openbaring
Een van de meest intrigerende ontdekkingen van dit onderzoek is de unieke draaiing van de DNA origami nanoturbine. Het gedrag wordt beïnvloed door de ionenconcentratie, waardoor dezelfde turbine met de klok mee of tegen de klok in kan draaien, afhankelijk van de concentratie Na+ ionen in de oplossing. Deze unieke eigenschap, die alleen op nanoschaal voorkomt, is het resultaat van de ingewikkelde interactie tussen ionen, water en DNA. Deze bevindingen, die rigoureus ondersteund worden door uitgebreide moleculaire dynamica simulaties door de groep van Aleksei Aksimentiev aan de Universiteit van Illinois en theoretische modellering door Ramin Golestanian aan het MPI Göttingen, houden de belofte in dat ze de horizonten van de nanotechnologie zullen verbreden en bieden talloze toepassingen. In de toekomst zouden we bijvoorbeeld DNA-origami kunnen gebruiken om nanomachines te maken die medicijnen kunnen afleveren in het menselijk lichaam, aan specifieke soorten cellen.
DNA origami
Cees Dekker, die het onderzoek begeleidde, licht hun methodologie toe: "Samen met onze medewerkers in het lab van Hendrik Dietz van de Technische Universiteit München hebben we inzichten uit ons eerdere werk aan DNA-rotatiemotoren gebruikt om nu een turbine te maken met volledige controle over het ontwerp en de werking ervan". De ’DNA origami’ techniek maakt gebruik van de specifieke interacties tussen complementaire DNA basenparen om dynamische 3D nano-objecten te bouwen. Dit ontwerp maakt het mogelijk om de draairichting van de turbine in onze nanoporiën te regelen via de draairichting van de bladen en maakt eenvoudige integratie van de turbine in andere nanomachines mogelijk.
Een nieuwe stap in de richting van actieve transmembraan nanomachines
Dit onderzoeksresultaat volgt op de introductie vorig jaar van de actieve DNA-nanomotor, een zelfconfigurerend apparaat dat energie uit elektrische of zoutgradiënten kan omzetten in praktische mechanische arbeid. Lees meer: TU Delft-onderzoekers creëren stromingsgedreven rotoren op nanoschaal.
Terugkijkend op de opmerkelijke reis onderstreept Xin Shi het belang van hun vooruitgang: "We hebben de fundamentele principes onthuld achter het aandrijven van een rotor op nanoschaal met behulp van water en zout in nanoporiën. De doorbraak van dit jaar, gedreven door rationeel ontwerp, markeert de volgende fase van onze reis. De basisprincipes uit ons vorige artikel, gecombineerd met de innovaties in dit artikel, vormen de basis voor de toekomst van biomimetische transmembraanmachines, met het potentieel om energie te benutten uit zoutgradiënten, een vitale energiebron die wordt gebruikt door biologische motoren."