ساخت نخستین نانوموتور مولکولی با استفاده از مواد ژنتیکی

به گزارش خبرگزاری صدا وسیما؛ یک گروه پژوهشی به سرپرستی "دانشگاه فنی مونیخ" (TUM) با همکاری "رامین گلستانیان" (Ramin Golestanian)، مدیر "موسسه پویایی و خودسازماندهی ماکس پلانک" (Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization)، برای نخستین بار موفق شده‌اند یک موتور مولکولی را با استفاده از "روش اوریگامی دی‌ان‌ای" (DNA origami) ابداع کنند. این ماشین کوچک که از مواد ژنتیکی ساخته شده است، خودبه‌خود سرهم‌بندی می‌شود و انرژی الکتریکی را به انرژی جنبشی تبدیل می‌کند. این نانوموتور‌های جدید قابل روشن و خاموش کردن هستند و پژوهشگران می‌توانند سرعت و جهت چرخش آن‌ها را کنترل کنند.

موتور‌هایی که در دستگاه‌هایی مانند مته‌ها یا آسیاب‌های خودکار قهوه تعبیه شده‌اند، به ما کمک می‌کنند تا کار‌های روزمره را برای اهداف مختلفی انجام دهیم. موتور‌های مولکولی طبیعی در مقیاس بسیار کوچک‌تر، وظایف حیاتی را در بدن ما انجام می‌دهند. به عنوان مثال، یک پروتئین حرکتی به نام "ای‌تی‌پی سنتاز" (ATP synthase)، مولکول "آدنوزین تری‌فسفات" (ATP) را تولید می‌کند که بدن ما آن را برای ذخیره و انتقال کوتاه‌مدت انرژی به کار می‌برد.

اگرچه موتور‌های مولکولی طبیعی، ضروری هستند، اما تولید موتور‌هایی در این مقیاس با خواص مکانیکی تقریبا مشابه موتور‌های مولکولی طبیعی مانند ای‌تی‌پی سنتاز، بسیار دشوار بوده است. گروه پژوهشی دانشگاه فنی مونیخ اکنون یک موتور مولکولی در مقیاس نانو را با استفاده از روش اوریگامی DNA ساخته‌اند.

یک نانوموتور با توانایی سرهم‌بندی خودکار

این موتور مولکولی جدید، از ماده ژنتیکی DNA ساخته شده است. پژوهشگران، روش اوریگامی DNA را به کار بردند تا به سرهم‌بندی موتور با استفاده از مولکول‌های DNA بپردازند. این روش توسط "پل روتموند" (Paul Rothemund) در سال ۲۰۰۶ ابداع شد و بعد‌ها توسط گروه پژوهشی دانشگاه فنی مونیخ توسعه یافت. در این روش، چندین رشته طولانی DNA به عنوان پایه عمل می‌کنند و رشته‌های DNA اضافی به آن‌ها متصل می‌شوند. توالی‌های DNA به گونه‌ای انتخاب می‌شوند که رشته‌ها و چین‌های متصل، ساختار‌های مورد نظر را ایجاد کنند.

"هندریک دیتز" (Hendrik Dietz)، استاد نانوفناوری دانشگاه فنی مونیخ و از پژوهشگران این پروژه گفت: ما سال‌هاست که این روش ساخت را پیش برده‌ایم و اکنون می‌توانیم اجسام بسیار دقیق و پیچیده‌ای مانند سوئیچ‌های مولکولی یا اجسام توخالی را بسازیم که می‌توانند ویروس‌ها را به دام بیندازند. اگر رشته‌های DNA را با توالی‌های مناسب در محلول قرار دهید، آن‌ها خودبه‌خود سرهم‌بندی می‌شوند.

نانوموتور جدید ساخته‌شده از ماده DNA، از سه جزء پایه، پلتفرم و بازوی روتور تشکیل شده است. پایه تقریبا ۴۰ نانومتر ارتفاع دارد و از طریق پیوند‌های شیمیایی روی یک صفحه شیشه‌ای محکم می‌شود. یک بازوی روتور به طول حداکثر ۵۰۰ نانومتر روی پایه نصب شده است تا بتواند بچرخد. یکی دیگر از اجزای بسیار مهم برای موتور، پلتفرمی است که بین پایه و بازوی روتور قرار دارد. این پلتفرم شامل موانعی است که بر حرکت بازوی روتور تأثیر می‌گذارند. بازوی روتور برای عبور از موانع و چرخش باید کمی به سمت بالا خم شود.

حرکات هدفمند به واسطه جریان متناوب

بدون منبع انرژی، بازو‌های روتور به طور تصادفی در یک جهت یا جهت‌های دیگر حرکت می‌کنند که ناشی از برخورد تصادفی با مولکول‌های اطراف است. با وجود این، به محض اعمال ولتاژ جریان متناوب از طریق دو الکترود، بازو‌های روتور به صورت هدفمند و پیوسته در یک جهت می‌چرخند.

گلستانیان گفت: این موتور جدید دارای قابلیت‌های مکانیکی بی‌سابقه‌ای است. این موتور می‌تواند نیروی چرخشی حدود ۱۰ پیکونیوتن به دست آورد و در هر ثانیه، انرژی بیشتری را نسبت به آنچه هنگام تقسیم دو مولکول ای‌تی‌پی آزاد می‌شود، تولید کند.

حرکت هدفمند موتور‌ها ناشی از برهم‌نهی نیرو‌های الکتریکی در نوسان با نیرو‌هایی است که بازوی روتور به دلیل وجود موانع، آن‌ها را تجربه می‌کند. پژوهشگران می‌توانند سرعت و جهت چرخش را با توجه به جهت میدان الکتریکی و همچنین، از طریق فرکانس و دامنه ولتاژ جریان متناوب کنترل کنند.

به نقل از نانو مگزین؛ دیتز گفت: این موتور جدید می‌تواند در آینده کاربرد‌های فنی نیز داشته باشد. اگر موتور را بیشتر توسعه دهیم، احتمالا می‌توانیم در آینده از آن برای تحریک واکنش‌های شیمیایی استفاده کنیم. به عنوان مثال، سطوح را می‌توان با چنین موتور‌هایی پوشش داد؛ سپس مواد اولیه را اضافه کرد و کمی ولتاژ متناوب به کار گرفت تا موتور‌ها ترکیب شیمیایی مورد نظر را تولید کنند.

این پژوهش، در مجله "Nature" به چاپ رسید.