Немецкие ученые из Technical University of Munich создали из фрагментов ДНК первые в мире электрические нано-двигатели. Самособирающиеся структуры могут активироваться электрическим зарядом и вращать ротор с храповым механизмом.

Молекулярная схема нового ДНК-наномотора, состоящего из ротора (желтый), храпового механизма (синий) и основания (белый). Anna-Katharina Pumm/TUM

Миниатюрный механизм был создан с помощью технологии, получившей название ДНК-оригами. Подобно одноименному виду декоративно-прикладного искусства, эта методика подразумевает сложнейшее сворачивание цепочек ДНК в трехмерные конструкции. В качестве примеров можно привести ловушки для вирусов, системы доставки лекарств, повышающие иммунитет, и даже микроскопические копии Ван Гога. Подобные структуры создаются путем тщательного отбора последовательностей ДНК, которые складываются и соединяются друг с другом определенным образом. Таким образом, добавляя в структуру определенные полинуклеотидные цепочки, исследователи могут самостоятельно собирать различные ДНК- объекты.

В рамках нового эксперимента ученым впервые удалось создать молекулярный привод из образцов ДНК. Мотор состоит из ротора длиной до 500 нанометров (нм), который  расположен на основании высотой около 40 нм, зафиксированном на кварцевой пластине. Рядом с основанием, чуть ниже ротора, расположена платформа с несколькими храповыми механизмами, которые регулируют направление вращения ротора.

Чтобы активировать нанодвигатель, на его электроды подается переменное напряжение, которое заставляет ротор вращаться. Эксперты могли управлять скоростью и направлением такого процесса, меняя напряженность электрического поля, а также контролируя частоту и амплитуду тока.

Несмотря на то, что это пока первый двигатель, созданный на базе ДНК, в прошлом учёные уже разрабатывали подобные системы. Самые первые из них представляют собой золотые наностержни, которые могут вращаться в ответ на ультразвуковые колебания, в то время как другие состоят всего из 16 атомов. Такие предыдущие разработки потенциально можно было бы использовать для перемещения крошечных нано-роботов, однако команда утверждает, что ДНК-нанодвигатель разработанный в данном проекте лучше всего подходит для работы в области химии.

"Если нам удастся усовершенствовать этот двигатель, то в будущем мы сможем использовать его для управления химическими реакциями", - рассказывает Хендрик Дитц, руководитель проекта. "Например, с помощью таких молекулярных механизмов можно было бы наносить равномерные покрытия на различные поверхности. Вы добавляете исходные компоненты, подаете небольшой ток переменного напряжения, и механизмы вырабатывают необходимые химические продукты".

Исследование было опубликовано в журнале Nature.

 Источники: TUM, journal Nature.
1. (https://www.nature.com/articles/s41586-022-04910-y)
2. (https://www.tum.de/en/about-tum/news/press-releases/details/37521)