Uma equipe colaborativa de pesquisadores liderada pelo Prof. Cees Dekker da Delft University of Technology, em parceria com colegas internacionais, introduziu um avanço pioneiro no mundo dos nanomotores - a nanoturbina de origami de DNA. Este dispositivo em nanoescala pode representar uma mudança de paradigma, aproveitando a energia de gradientes iônicos ou potencial elétrico através de um nanoporo de estado sólido para acionar a turbina em rotações mecânicas.

O núcleo desta descoberta é o projeto, a construção e o movimento acionado de uma turbina de “origami de DNA”, que apresenta três lâminas quirais, todas dentro de uma minúscula estrutura de 25 nanômetros, operando em um nanoporo de estado sólido. Ao projetar engenhosamente duas turbinas quirais, os pesquisadores agora têm a capacidade de ditar o sentido de rotação, no sentido horário ou anti-horário. Suas descobertas foram publicadas na Nature Nanotechnology .

Nanoturbinas:o coração dos avanços

As turbinas movidas a fluxo estão no centro de muitas máquinas revolucionárias que moldaram as nossas sociedades, desde moinhos de vento a aviões. Até a própria vida depende criticamente de turbinas para processos fundamentais, como a FoF1-ATP sintase, que produz combustíveis para células biológicas, e o motor flagelo bacteriano que impulsiona as bactérias.

“Nossa nanoturbina possui um rotor de 25 nanômetros de diâmetro feito de material de DNA com pás configuradas para destros ou canhotos para controlar o sentido de rotação. campo elétrico ou diferença de concentração de sal, de um nanoporo, uma pequena abertura, em uma membrana fina. Usamos nossa turbina para acionar uma haste rígida até 10 rotações por segundo", diz Xin Shi, principal autor do artigo.

Uma revelação fascinante

Uma das descobertas mais intrigantes desta pesquisa é a natureza única da rotação da nanoturbina de origami de DNA. Seu comportamento é influenciado pela concentração de íons, permitindo que a mesma turbina gire no sentido horário ou anti-horário, dependendo da concentração de Na ⁺ íons na solução.

Esta característica única, exclusiva do domínio da nanoescala, resulta da intrincada interação entre íons, água e DNA.

Essas descobertas, rigorosamente apoiadas por extensas simulações de dinâmica molecular feitas pelo grupo de Aleksei Aksimentiev na Universidade de Illinois e modelagem teórica por Ramin Golestanian no MPI Göttingen, mantêm a promessa de expandir os horizontes da nanotecnologia e oferecem inúmeras aplicações. Por exemplo, no futuro, poderemos ser capazes de usar origami de ADN para fabricar nanomáquinas que possam fornecer medicamentos ao corpo humano, a tipos específicos de células.

Origami de DNA

Cees Dekker, que supervisionou a pesquisa, esclarece sua metodologia dizendo:"Juntamente com nossos colaboradores no laboratório de Hendrik Dietz da Universidade Técnica de Munique, usamos insights de nosso trabalho anterior em motores rotativos de DNA para criar agora uma turbina com controle total sobre seu projeto e operação."

A técnica de "origami de DNA" usa interações específicas entre pares de bases complementares de DNA para construir nanoobjetos 3D dinâmicos. Este projeto permite que a direção de rotação da turbina em nossos nanoporos seja controlada através da lateralidade das pás e permite a integração direta da turbina a outras nanomáquinas.

Um novo passo em direção às nanomáquinas transmembrana ativas

Esta conquista de pesquisa segue a introdução, no ano passado, do nanorotor ativo de DNA, um dispositivo autoconfigurável capaz de transformar energia de gradientes elétricos ou salinos em trabalho mecânico prático.

Refletindo sobre o trabalho, Xin Shi disse:"Revelamos os princípios fundamentais por trás da propulsão de um rotor em nanoescala usando água e sal em nanoporos. A descoberta deste ano, impulsionada pelo design racional, marca a próxima fase de nossa jornada."

"Os princípios fundamentais do nosso artigo anterior, combinados com as inovações deste, preparam o terreno para o futuro das máquinas transmembranares biomiméticas, com potencial para aproveitar a energia dos gradientes de sal, uma fonte de energia vital empregada por motores biológicos."

Mais informações: Xin Shi et al, Uma turbina de DNA alimentada por um potencial transmembrana através de um nanoporo, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01527-8
Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza

Fornecido pela Universidade de Tecnologia de Delft