Projeto de motores e montagem experimental. a,b, Esquemas de um pedestal e uma plataforma triangular, respectivamente. Cilindros indicam hélices duplas de DNA. c, Ilustração esquemática das etapas de montagem do motor. d,e, componentes do braço do rotor. f, Esquerda, ilustração esquemática da configuração experimental para observar a dinâmica do motor em um microscópio TIRF invertido. O pedestal é fixado através de várias ligações biotina-neutravidina a uma lamela de microscópio. Estrela laranja, corantes Cy5. Estrelas azuis, posições de rotulagem para as fitas do imager DNA-PAINT. À direita, dois eletrodos de platina são imersos na câmara de líquido por cima e conectados a um gerador de funções gerando uma corrente alternada de onda quadrada para criar uma modulação energética de eixo fixo que atua em todos os motores. Crédito:Natureza (2022). DOI:10.1038/s41586-022-04910-y
Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade Técnica de Munique (TUM) conseguiu pela primeira vez produzir um motor elétrico molecular usando o método de origami de DNA. A pequena máquina feita de material genético se automonta e converte energia elétrica em energia cinética. Os novos nanomotores podem ser ligados e desligados, e os pesquisadores podem controlar a velocidade de rotação e o sentido de rotação.
Seja em nossos carros, furadeiras ou moedores de café automáticos - os motores nos ajudam a realizar o trabalho em nossas vidas cotidianas para realizar uma ampla variedade de tarefas. Em uma escala muito menor, os motores moleculares naturais realizam tarefas vitais em nossos corpos. Por exemplo, uma proteína motora conhecida como ATP sintase produz a molécula trifosfato de adenosina (ATP), que nosso corpo usa para armazenamento e transferência de energia a curto prazo.
Embora os motores moleculares naturais sejam essenciais, tem sido bastante difícil recriar motores nessa escala com propriedades mecânicas mais ou menos semelhantes às de motores moleculares naturais como a ATP sintase. Uma equipe de pesquisa construiu um motor rotativo molecular em nanoescala usando o método de origami de DNA e publicou seus resultados na
Nature . A equipe foi liderada por Hendrik Dietz, Professor de Nanotecnologia Biomolecular na TUM, Friedrich Simmel, Professor de Física de Sistemas Biológicos Sintéticos na TUM, e Ramin Golestanian, diretor do Instituto Max Planck de Dinâmica e Auto-Organização.
Um nanomotor de automontagem O novo motor molecular consiste em DNA – material genético. Os pesquisadores usaram o método de origami de DNA para montar o motor a partir de moléculas de DNA. Este método foi inventado por Paul Rothemund em 2006 e mais tarde foi desenvolvido pela equipe de pesquisa da TUM. Várias longas fitas simples de DNA servem como base à qual fitas adicionais de DNA se ligam como contrapartes. As sequências de DNA são selecionadas de tal forma que as fitas e dobras anexadas criam as estruturas desejadas.
"Temos avançado neste método de fabricação por muitos anos e agora podemos desenvolver objetos muito precisos e complexos, como interruptores moleculares ou corpos ocos que podem capturar vírus. automontagem", diz Dietz.
O novo nanomotor feito de material de DNA é composto por três componentes:base, plataforma e braço do rotor. A base tem aproximadamente 40 nanômetros de altura e é fixada a uma placa de vidro em solução por meio de ligações químicas em uma placa de vidro. Um braço do rotor de até 500 nanômetros de comprimento é montado na base para que possa girar. Outro componente é fundamental para que o motor funcione como pretendido:uma plataforma que fica entre a base e o braço do rotor. Esta plataforma contém obstáculos que influenciam o movimento do braço do rotor. Para ultrapassar os obstáculos e girar, o braço do rotor deve dobrar um pouco para cima, semelhante a uma catraca.
Análise estrutural do DNA origami motor. a, Diferentes vistas de um mapa de densidade eletrônica 3D do bloco do motor determinado por meio de crio-EM de partícula única (veja também Dados Estendidos Fig. 4 e no Banco de Dados de Microscopia Eletrônica (EMDB) sob o código EMD-14358). b, Detalhe do mapa crio-EM do bloco do motor representado em diferentes limites de densidade nos quais os três obstáculos e a doca do rotor podem ser discernidos. Inset, esquemático mostrando os seis locais de residência preferidos do braço do rotor. c, Imagens TEM de coloração negativa exemplificativas de uma variante de motor com braço de rotor longo conectado. Barra de escala, 50 nm. d, Imagens de fluorescência de partícula única exemplares. Barra de escala, 500 nm. As imagens mostram o desvio padrão da intensidade média por pixel calculada sobre todos os quadros dos vídeos TIRF gravados. e, imagens DNA-PAINT mostrando as posições da ponta do braço do rotor em relação à plataforma triangular. Barra de escala, 500 nm. Crédito:Natureza (2022). DOI:10.1038/s41586-022-04910-y
Movimento direcionado através da tensão CA Sem fornecimento de energia, os braços do rotor dos motores se movem aleatoriamente em uma direção ou outra, acionados por colisões aleatórias com moléculas do solvente circundante. No entanto, assim que a tensão CA é aplicada através de dois eletrodos, os braços do rotor giram de maneira direcionada e contínua em uma direção.
"O novo motor tem capacidades mecânicas sem precedentes:pode atingir torques na faixa de 10 piconewtons vezes nanômetros. E pode gerar mais energia por segundo do que é liberada quando duas moléculas de ATP são divididas", explica Ramin Golestanian, que liderou a análise teórica do mecanismo do motor.
O movimento direcionado dos motores resulta de uma superposição das forças elétricas flutuantes com as forças experimentadas pelo braço do rotor devido aos obstáculos da catraca. O mecanismo subjacente realiza a chamada "catraca browniana intermitente". Os pesquisadores podem controlar a velocidade e a direção da rotação através da direção do campo elétrico e também através da frequência e amplitude da tensão CA.
"O novo motor também pode ter aplicações técnicas no futuro. Se desenvolvermos ainda mais o motor, poderemos usá-lo no futuro para conduzir reações químicas definidas pelo usuário, inspiradas em como a ATP sintase faz o ATP acionado por rotação. Então, por exemplo, , as superfícies podem ser densamente revestidas com esses motores. Então você adiciona materiais de partida, aplica um pouco de tensão CA e os motores produzem o composto químico desejado", diz Dietz.
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