Links of rechts draaien met ionen, water en DNA

Onderzoekers introduceren de DNA origami nanoturbine. Dit apparaat zou volgens hen 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 ‘DNA origamiturbine’ heeft drie chirale bladen binnen een frame van 25 nanometer, die werken in een nanopore op basis van vaste stoffen. Door het ingenieuze ontwerp van de twee chirale turbines kunnen de onderzoekers de draairichting bepalen, met de klok mee of tegen de klok in.

Het internationale team van onderzoekers onder leiding van Cees Dekker van de TU Delft publiceerden hun onderzoeksresultaten in Nature Nanotechnology.

Door stroming aangedreven turbines vormen het hart van veel machines die onze samenleving 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 onderzoeker Xin Shi.

Ionen, water en DNA

De draaiing van de nanoturbine 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 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. In de toekomst zouden we DNA-origami bijvoorbeeld kunnen gebruiken om nanomachines te maken die medicijnen kunnen afleveren in het menselijk lichaam, aan specifieke soorten cellen.

Deze onderzoeksprestatie volgt op de introductie vorig jaar van de DNA actieve nanomotor, een zelfconfigurerend apparaat dat energie van elektrische of zoutgradiënten kan omzetten in praktische mechanische arbeid. Shi: “We hebben de fundamentele principes onthuld achter het aandrijven van een nanorotor 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.”