Một nhóm các nhà khoa học quốc tế gần đây đã phát triển một động cơ nano mới làm từ DNA. Nó được hỗ trợ bởi một cơ chế khéo léo cho phép chuyển động theo nhịp đập. Các nhà nghiên cứu hiện đang lên kế hoạch trang bị cho nó một bộ ghép nối và sử dụng nó làm bộ điều khiển cho các cỗ máy nano phức tạp. Kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí Công nghệ nano tự nhiên vào ngày 19 tháng 10.
Petr Šulc, trợ lý giáo sư tại Trường Khoa học phân tử và Trung tâm thiết kế sinh học về thiết kế phân tử và mô phỏng sinh học tại Đại học bang Arizona, đã hợp tác trong dự án này với Giáo sư Famulok (trưởng dự án) từ Đại học Bonn, Đức và Giáo sư Walter từ Đại học Michigan.
Šulc đã sử dụng các công cụ tạo mô hình máy tính của nhóm nghiên cứu của mình để hiểu rõ hơn về thiết kế và hoạt động của động cơ nano lò xo lá này. Cấu trúc bao gồm gần 14.000 nucleotide, tạo thành các khối xây dựng cơ bản của DNA.
Šulc giải thích: "Nếu không có oxDNA, mô hình máy tính mà nhóm chúng tôi sử dụng để thiết kế cấu trúc nano DNA, sẽ không thể mô phỏng chuyển động của các cấu trúc nano lớn như vậy. Đây là lần đầu tiên DNA điều khiển bằng hóa học được thiết kế thành công. Động cơ công nghệ nano. Chúng tôi rất vui vì phương pháp nghiên cứu của chúng tôi đã đóng góp cho nghiên cứu của mình và mong muốn tạo ra các thiết bị nano phức tạp hơn trong tương lai. "
Động cơ mới này tương tự như máy tập cầm nắm và có thể tăng cường độ bám khi sử dụng thường xuyên. Tuy nhiên, động cơ này nhỏ hơn khoảng một triệu lần. Hai tay cầm được nối với nhau theo cấu trúc hình chữ V bằng lò xo.
Trong máy tập cầm nắm, các tay cầm được ép lại với nhau dưới lực cản của lò xo. Khi bạn buông tay ra, một lò xo sẽ đẩy tay cầm trở lại vị trí cũ. Giáo sư Michael Famulok từ Viện Khoa học Y tế và Đời sống (LIMES) tại Đại học Bonn cho biết: “Động cơ của chúng tôi sử dụng một nguyên lý rất giống nhau”. "Nhưng tay cầm không được ấn vào nhau mà được kéo lại với nhau."
Các nhà nghiên cứu đã tái sử dụng một cơ chế mà nếu không có cơ chế này thì sẽ không có thực vật hoặc động vật trên Trái đất. Mỗi tế bào đều được trang bị một thư viện. Nó chứa các bản thiết kế cho các loại protein khác nhau mà mỗi tế bào cần để thực hiện các chức năng của nó. Nếu một tế bào muốn sản xuất một loại protein nhất định, nó sẽ tạo một bản sao của bản thiết kế tương ứng. Bản phiên mã này được tạo ra bởi một enzyme gọi là RNA polymerase.
Bản thiết kế ban đầu bao gồm các chuỗi DNA dài. RNA polymerase di chuyển dọc theo các chuỗi này, sao chép từng chữ cái thông tin được lưu trữ. Famulok, người cũng là thành viên của nhóm nghiên cứu liên ngành “Cuộc sống và sức khỏe” và “Vật chất” tại Đại học Bonn, giải thích: “Chúng tôi đã gắn RNA polymerase vào một tay cầm trên máy nano”. "Giữa hai tay cầm, chúng ta còn có một sợi DNA được kết nối chặt chẽ. Polymerase lấy sợi này và sao chép nó. Nó tự kéo dọc theo chuỗi, và những phần không được sao chép sẽ ngày càng nhỏ hơn. Điều này kéo tay cầm thứ hai về phía tay cầm thứ nhất từng chút một, đồng thời nén lò xo."
Các chuỗi DNA giữa các tay cầm chứa một chuỗi các chữ cái đặc biệt ngay trước khi kết thúc. Cái gọi là trình tự kết thúc này báo hiệu cho polymerase giải phóng DNA. Bây giờ lò xo có thể giãn ra trở lại và kéo tay cầm ra xa nhau. Bằng cách này, trình tự bắt đầu của chuỗi gần với polymerase và bộ sao chép phân tử có thể bắt đầu một quá trình phiên mã mới, v.v. Mathias Centola từ nhóm nghiên cứu do Giáo sư Famulok dẫn đầu giải thích: “Bằng cách này, các động cơ nano của chúng tôi có thể thực hiện các chuyển động theo nhịp đập”.
Giống như các loại động cơ khác, loại động cơ này cần năng lượng. Năng lượng được cung cấp bởi "súp bảng chữ cái" của các bản phiên mã do polymerase tạo ra. Mỗi chữ cái (thuật ngữ kỹ thuật: nucleotide) có một đuôi nhỏ gồm ba nhóm photphat - một triphosphate. Để gắn một chữ cái mới vào câu hiện có, polymerase phải loại bỏ hai nhóm photphat khỏi câu đó. Điều này giải phóng năng lượng, được sử dụng để kết nối các chữ cái lại với nhau. "Vì vậy, động cơ của chúng tôi sử dụng nucleotide triphosphate làm nhiên liệu. Nó chỉ có thể tiếp tục chạy khi có đủ lượng nucleotide triphosphate."
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh được rằng động cơ này có thể dễ dàng kết hợp với các cấu trúc khác. Ví dụ, điều này có thể khiến nó có thể đi lang thang trên các bề mặt - tương tự như một con sâu inch tự kéo mình dọc theo cành cây theo cách đặc trưng của nó. Famlock giải thích: “Chúng tôi cũng có kế hoạch sản xuất một bộ ly hợp để chỉ có thể sử dụng sức mạnh của động cơ vào những thời điểm nhất định và để nó chạy không tải vào những thời điểm khác”. Về lâu dài, động cơ có thể trở thành cốt lõi của các cỗ máy nano phức tạp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn còn rất nhiều việc phải làm trước khi đạt đến giai đoạn này. "
Šulc là một phòng thí nghiệm có tính liên ngành cao, áp dụng vật lý thống kê và phương pháp mô hình tính toán cho nhiều vấn đề trong lĩnh vực hóa học, sinh học và công nghệ nano. Nhóm nghiên cứu phát triển các mô hình đa quy mô mới để nghiên cứu sự tương tác giữa các phân tử sinh học, đặc biệt là trong thiết kế và mô phỏng các thiết bị và cấu trúc nano DNA và RNA.
"Giống như những cỗ máy phức tạp mà chúng ta đang sử dụng sử dụng hàng ngày Cũng giống như các con chip được tìm thấy trong máy bay, ô tô và thiết bị điện tử đòi hỏi các công cụ thiết kế tinh vi có sự hỗ trợ của máy tính để đảm bảo chúng hoạt động như mong đợi, lĩnh vực khoa học phân tử đang rất cần được tiếp cận với các phương pháp đó. Giáo sư Tijana Rajh, Trưởng khoa Khoa học Phân tử, cho biết: "Petr Šulc và nhóm nghiên cứu của ông đang tiến hành khoa học phân tử có tính đổi mới cao, sử dụng các phương pháp từ hóa học và vật lý tính toán để nghiên cứu các phân tử DNA và RNA trong bối cảnh sinh học và công nghệ nano." Các giáo viên trẻ của chúng tôi tại Trường Khoa học Phân tử đã đạt được những điều phi thường và Giáo sư Šulc là một ví dụ điển hình về điều này. "
DNA và RNA là những phân tử cơ bản của sự sống. Chúng có nhiều chức năng khác nhau, bao gồm lưu trữ thông tin và truyền thông tin trong tế bào sống. Chúng cũng có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghệ nano, nơi các chuỗi DNA và RNA được thiết kế có thể được sử dụng để lắp ráp các cấu trúc và thiết bị có kích thước nano. Việc này hơi giống chơi với các khối Lego, ngoại trừ việc mỗi khối Lego chỉ có kích thước vài nanomet (một phần triệu milimet). Thay vì đặt từng khối Thay vào đó, hãy đặt chúng vào hộp và lắc xung quanh cho đến khi chỉ có cấu trúc mong muốn. "Các ứng dụng trong lĩnh vực này rất hứa hẹn, bao gồm chẩn đoán, trị liệu, robot phân tử và chế tạo vật liệu mới", Šulc nói. "Phòng thí nghiệm của tôi đã phát triển phần mềm để thiết kế các khối xây dựng này và chúng tôi hợp tác chặt chẽ với các nhóm thử nghiệm tại Đại học Arizona và các trường đại học khác ở Hoa Kỳ và Châu Âu." được sử dụng để thiết kế và mô tả các cấu trúc nano ngày càng phức tạp "
.