(Noticias de Nanowerk) Investigadores de TU Delft han construido los motores impulsados por flujo más pequeños del mundo. Inspirándose en los icónicos molinos de viento holandeses y las proteínas motoras biológicas, crearon un rotor autoconfigurable e impulsado por flujo hecho de ADN que convierte la energía de un gradiente eléctrico o salino en trabajo mecánico útil. Los resultados abren nuevas perspectivas para el desarrollo de la robótica activa a nanoescala.
El artículo ya está publicado en física natural («Rotación unidireccional sostenida de un rotor de ADN autoensamblado en un nanoporo»).
Elusivo
Los motores rotativos han sido los motores de las sociedades humanas durante milenios: desde molinos de viento y ruedas hidráulicas en los Países Bajos y en todo el mundo hasta las turbinas eólicas marinas más avanzadas de la actualidad, impulsando nuestro futuro con energía verde.
“Estos motores rotativos impulsados por flujo también juegan un papel importante en las células biológicas. Un ejemplo es FoF1-ATP sintasa, que produce las celdas de combustible necesarias para operar. Pero la ingeniería sintética a nanoescala se ha mantenido esquiva hasta ahora», dice el Dr. Xin Shi, postdoctorado en Prof. Dr. Cees Dekker en el Departamento de Bionanociencias en TU Delft.
“Nuestro motor impulsado por flujo está hecho de material de ADN. Esta estructura está acoplada a un nanoporo, una pequeña abertura, en una membrana delgada. El paquete de ADN, de solo 7 nanómetros de espesor, se autoensambla bajo un campo eléctrico en una configuración similar a un rotor, que luego se establece en un movimiento de rotación sostenido de más de 10 revoluciones por segundo», dice Shi, primer autor de la publicación en física natural.
papiroflexia de ADN
“Hemos estado tratando de sintetizar estos nanomotores giratorios desde cero durante 7 años. Usamos una técnica llamada origami de ADN en colaboración con el laboratorio de Hendrik Dietz de la Universidad Técnica de Munich”, agrega Cees Dekker, quien supervisó la investigación.
Esta técnica explota las interacciones específicas entre pares de bases de ADN complementarios para construir nanoobjetos 2D y 3D. Los rotores obtienen energía de un flujo de agua e iones, que es causado por un voltaje aplicado o, más simplemente, por diferentes concentraciones de sal en ambos lados de la membrana. Esta última es una de las fuentes de energía más abundantes en biología y alimenta varios procesos críticos, como la síntesis de combustible celular y la propulsión celular.
resolver un acertijo
Este logro es un hito, ya que es la primera realización experimental de rotores activos impulsados por flujo a nanoescala. Sin embargo, cuando los investigadores observaron las torceduras por primera vez, se quedaron perplejos: ¿cómo es posible que barras de ADN tan simples exhiban estas torceduras hermosas y sostenidas?
El misterio se resolvió en discusiones con el teórico Ramin Golestanian y su equipo en el Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización en Göttingen. Modelaron el sistema y revelaron el intrigante proceso de autoensamblaje en el que los paquetes se deforman espontáneamente en rotores quirales, que luego se acoplan al flujo que sale de los nanoporos.
De la simplicidad al diseño racional
«Este proceso de autoensamblaje realmente muestra la belleza de la simplicidad», dice Shi. Pero la importancia de este trabajo no termina con este simple rotor en sí mismo, la tecnología y el mecanismo físico detrás de él establecen una dirección completamente nueva en la construcción de nanomotores sintéticos: nanoturbinas impulsadas por flujo, un área sorprendentemente inexplorada por científicos e ingenieros.
«Se sorprendería de lo poco que hemos sabido y logrado sobre la construcción de tales nanoturbinas impulsadas por flujo, especialmente dado el conocimiento milenario que tenemos sobre la construcción de sus contrapartes a macroescala y el papel fundamental que desempeñan en la vida misma», dice Shi. .
En un paso más (que se encuentra en la preimpresión), el grupo ha utilizado los conocimientos adquiridos en la construcción de este rotor autoensamblado para lograr el próximo avance importante: la primera nanoturbina diseñada racionalmente. «La forma en que siempre funciona la ciencia y la tecnología, comenzamos con un simple molinete y ahora podemos recrear los hermosos molinos de viento holandeses, pero esta vez con un tamaño de solo 25 nm, el tamaño de una sola proteína en su cuerpo», dice Shi. , «y hemos demostrado su capacidad para soportar cargas».
«Y ahora la dirección de rotación ha sido determinada por la quiralidad diseñada», agrega Dekker. “Turbinas zurdas giradas en el sentido de las agujas del reloj; Gire en sentido contrario a las agujas del reloj para los diestros”.
máquina de vapor
Además de una mejor comprensión e imitación de proteínas motoras como FoF1-ATP sintasa, los resultados abren nuevas perspectivas para el desarrollo de robótica activa a nanoescala.
Shi: “Lo que hemos demostrado aquí es un motor a nanoescala que en realidad es capaz de convertir energía y realizar trabajo. Se podría hacer una analogía con la primera invención de la máquina de vapor en el siglo XVIII. En aquel entonces, ¿quién podría haber predicho cuán fundamentalmente cambiaría nuestras sociedades? Con estos nanomotores moleculares, podríamos estar ahora en una fase similar. El potencial es ilimitado, pero aún queda mucho por hacer”.
