(Phys.org):por primera vez, Los investigadores han demostrado un nanomotor de ADN que puede "caminar" a lo largo de una pista con movimiento sostenible. El nanomotor también tiene la mayor eficiencia de combustible para cualquier tipo de nanomotor andante, o "nanowalker, "informado hasta la fecha, utilizando aproximadamente una molécula de combustible por paso.

Investigadores Meihan Liu et al. de la Universidad Nacional de Singapur han publicado un artículo sobre el ADN nanocaminador en un número reciente de ACS Nano .

El pequeño motor ilustra cómo los efectos puramente físicos pueden permitir la recolección eficiente de energía química a nivel de una sola molécula. Al operar con energía química, el nuevo motor funciona de manera completamente diferente a cualquier motor macroscópico, y acerca a los investigadores un paso más hacia la replicación de biomotores altamente eficientes que transportan carga en células vivas.

Una característica importante del nuevo nanocaminador es que, como biomotores en células vivas, es una enzima. Esto significa que ayuda a iniciar la reacción química productora de combustible que genera su movimiento sin cambiar permanentemente a sí mismo ni a su pista. Este rasgo permite repetidos, movimiento sostenible, lo que no ha sido logrado por ningún nanocaminador sintético de propulsión química hasta ahora. La mayoría de los otros nanocaminadores han sido "motores de puente quemado, "lo que significa que no son enzimas, sino que consumen sus huellas como combustible.

Crear nanocaminadores enzimáticos es muy desafiante, por lo que el progreso en esta área ha sido relativamente lento durante los últimos años. La única otra demostración de un caminante enzimático fue en 2009, cuando los investigadores diseñaron un nanocaminador que, a pesar de ser enzimático, no puede lograr un movimiento sostenible porque su pista se enrolla con el tiempo y finalmente detiene el motor. Este nanocaminador utiliza más de dos moléculas de combustible por paso, y los estudios desde entonces han sugerido que dos moléculas de combustible por paso es un umbral general para los nanomotores enzimáticos.

Con su capacidad de movimiento sostenible y una eficiencia de combustible de aproximadamente una molécula por paso, el nuevo nanocaminador representa un gran avance en este ámbito.

La clave de este logro fue encontrar un mecanismo físico para recolectar energía química de manera eficiente a nivel de una sola molécula. Este mecanismo consta de tres "puertas quimiomecánicas" que básicamente aseguran que el nanocaminador camine levantando siempre su pata trasera y no la delantera.

Para hacer esto, estas puertas controlan físicamente el orden en el que se liberan los productos en la reacción química que impulsa al nanocaminador hacia adelante. Como resultado, La pata trasera del nanocaminador de ADN se disocia primero de la vía y da un paso adelante antes de que la pata delantera se disocie. Luego, cuando la pierna delantera se convierte en la pierna trasera, esa pierna da un paso adelante, y el ciclo de caminar se repite. La disociación de cada pierna ocurre cuando una enzima "corta" una molécula de combustible que está unida a la pierna, de modo que una molécula es todo lo que se necesita para dar un paso. Usando un microscopio de fluorescencia, los investigadores observaron que el nanocaminador de 20 nm de largo podía moverse a velocidades de hasta 3 nm por minuto.

Como explican los investigadores, el mecanismo de control del producto es exclusivo de los nanomotores de propulsión química. No lo utilizan otros tipos de nanomotores, como los impulsados ​​por luz o campos eléctricos / magnéticos, ni por motores macroscópicos, que normalmente queman una gran cantidad de moléculas de combustible para generar calor, y luego usar el calor para generar movimiento para producir trabajo.

El control del producto es, sin embargo, utilizado en los biomotores bípedos dentro de las células vivas, que consumen ATP (trifosfato de adenosina) como combustible. Cuando la molécula de fosfato más pequeña del ATP se libera antes que la molécula de ADP (difosfato de adenosina) más grande, el biomotor se mueve en una dirección; cuando los productos se lanzan en el orden contrario, el biomotor se mueve en la dirección opuesta.

Dado que el nuevo nanocaminador es una rara demostración de control de producto en un motor sintético, los investigadores esperan que guíe el desarrollo futuro de nanomotores de propulsión química hacia el objetivo final de replicar el transporte altamente eficiente exhibido en las células vivas. Un posible próximo paso en esta área es fabricar un tren de nanocaminadores para demostrar el transporte colectivo, que es una característica común de los biomotores. Estos nanomotores podrían conducir en última instancia a varias aplicaciones novedosas.

"Los nanocaminadores enzimáticos son un elemento clave para replicar lo autónomo, transporte intracelular repetible y eficiente, "el coautor Zhisong Wang, físico de la Universidad Nacional de Singapur, dicho Phys.org . "Esta capacidad es importante ya que conduce a una variedad de aplicaciones nanotecnológicas, como la administración de fármacos montada en el motor dondequiera que lleve la pista, hasta la resolución a nanoescala para la localización; detección y transducción de señales (mediante la captura y concentración de agentes químicos); síntesis automatizada de múltiples pasos y líneas de ensamblaje a nanoescala; y conversación sobre energía para la tecnología energética ".

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