Вдохновленные природными наномашинами, такими как фермент АТФ-синтаза и двигательные жгутики бактерий, физики лаборатории профессора Хендрика Дитца в ТУМ продолжают расширять свой собственный дизайн и конструкторский репертуар. Они систематически разрабатывают правила и процедуры для создания самособирающихся структур ДНК-оригами с еще большей гибкостью и контролем.
При переходе от сопоставления пар оснований ДНК к методам построения дополнительных форм — с помощью множества взаимосвязанных «кирпичиков» — инструментарий исследователей неуклонно продвигался в направлении программирования более высокого уровня и модульной сборки.По мере этого они отточили методы, необходимые для проверки, например, того, что конкретный суп из наночастиц действительно заполнен копиями всего, что они разработали: будь то переключаемое устройство, искусственный мембранный канал, произвольно сложный тестовый объект, «нанокнига», которая открывается и закрывается, или фигурка робота с подвижными руками.Два новых пополнения в зоопарке
Последние дополнения к лабораторному зоопарку объектов ДНК-оригами, две крошечные трехмерные машины с движущимися частями, демонстрируют новые возможности.Докторанты Филип Кеттерер и Елена Виллнер в сотрудничестве с Дитцем создали роторный механизм из трех строительных блоков многослойной ДНК: роторный блок с корпусом длиной примерно 32 нанометра и более длинным рычажным удлинением; и два зажимных элемента, которые «защелкиваются» вместе, образуя осевой подшипник.
Детали соединяются с плотной посадкой и оставляют зазор всего 2 нанометра вокруг оси, позволяя ротору качаться, но не раскачиваться. В одном варианте рычаг будет свободно вращаться между случайными точками остановки; в другом — он будет находиться в определенных местах, которые исследователи называют стыковочными узлами. На сегодняшний день это самая сложная поворотная конструкция, реализованная с помощью техники ДНК-оригами.Чтобы было ясно, у ротора нет двигателя: он приводится в движение броуновским движением, случайным движением частиц в растворе.
Тем не менее, продемонстрировав возможность создания такой машины, исследователи открывают путь для активных устройств с химической или тепловой энергией и контролем. «Это как построить двигатель», — говорит Дитц. «Теперь свечи зажигания и горючее топливо — следующие пункты в списке дел».В отдельном проекте Дитц и докторант Йонас Функе создали навесную машину в масштабе, подходящем для манипулирования отдельными молекулами с атомарной точностью.
Угол между двумя основными структурными элементами захвата можно контролировать с помощью спиралей ДНК. Эксперименты с этим устройством позиционирования ДНК-оригами показали, что оно может точно размещать молекулы, регулируя расстояние между ними с шагом, равным радиусу атома водорода. Эта работа важна тем, что противоречит тенденции в этой области к созданию более крупных устройств ДНК-оригами, не обязательно выходя за пределы точности. Кроме того, результаты намекают на один из способов использования ДНК-наномашин для управления химическими реакциями.
«С одной стороны, — говорит Дитц, — теперь мы действительно доверяем точности размещения в наших структурах — потому что мы фактически разместили две молекулы и контролировали их расстояние с атомной точностью. С другой стороны, теперь у нас есть прототип вращающегося механизма.
Согласно нашим измерениям, его мобильность такова, что он может развивать скорость до 50000 об / мин, если каждый шаг вращения, который он делает, будет идти только в одном направлении. В устройствах следующего поколения мы будем использовать точность размещения, чтобы связывать химические реакции с движениями. ротора.
Это может привести к созданию двигателя. Таким образом, это устройство можно было бы использовать для любых целей, таких как активное движение наноразмерных транспортных средств для доставки лекарств, перекачивание и разделение молекул через барьеры или упаковка молекул в груз. отсеков ".