Dibujo conceptual del enjambre de máquinas moleculares que cambian patrones de movimiento sobre estímulos mecánicos. Crédito:Universidad de Hokkaido
El comportamiento de enjambre de aproximadamente 100 millones de máquinas moleculares se puede controlar aplicando estímulos mecánicos simples como la extensión y la contracción. Este método podría conducir al desarrollo de nuevas máquinas moleculares de enjambre y pequeños dispositivos de ahorro de energía.
El enjambre de moléculas en movimiento alineadas en una dirección, exhibió patrones en zigzag, o formó un vórtice que respondía a diversos estímulos mecánicos. Incluso podrían autorreparar el patrón en movimiento después de una interrupción, según un estudio dirigido por científicos de la Universidad de Hokkaido.
En años recientes, Muchos científicos han realizado esfuerzos para miniaturizar las máquinas que se encuentran en el mundo macroscópico.Los premios Nobel de Química de 2016 fueron galardonados por su destacada investigación sobre máquinas moleculares y diseño y síntesis de nanomáquinas.
En estudios anteriores, el equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Akira Kakugo de la Universidad de Hokkaido desarrolló máquinas moleculares que consisten en proteínas motoras llamadas kinesinas y microtúbulos, que mostró varios comportamientos de enjambre. "El enjambre es un concepto clave en la robótica moderna. Proporciona a las máquinas moleculares nuevas propiedades, como robustez y flexibilidad, que una máquina individual no puede tener, "dice Akira Kakugo." Sin embargo, establecer una metodología para controlar los comportamientos de enjambres ha sido un desafío ".
Las máquinas moleculares que comprenden microtúbulos y quinesinas. Los microtúbulos corren sobre las cinesinas adheridas a la superficie de un elastómero de silicona. Crédito:Daisuke I. et al., ACS Nano. 4 de octubre 2019
En el estudio actual publicado en ACS Nano , el equipo utilizó el mismo sistema que comprende proteínas motoras, quinesinas y microtúbulos, ambos de bioingeniería. Las quinesinas se fijan sobre una superficie de sustrato elastomérico, y los microtúbulos se autopropulsan sobre las kinesinas, impulsado por la hidrólisis de trifosfato de adenosina (ATP).
"Como sabemos que la aplicación de tensión mecánica puede desempeñar un papel clave en la formación de patrones para materias activas, Investigamos cómo la deformación del sustrato de elastómero influye en los patrones de enjambre de máquinas moleculares, "dice Akira Kakugo.
Los microtúbulos formaron patrones de ondas cuando no se aplica tensión (izquierda). Cuando el sustrato de elastómero se expande y contrae, se convirtieron en un patrón alineado (medio) o un patrón en zigzag (derecha). Crédito:Daisuke I. et al., ACS Nano. 4 de octubre 2019
Al extender y contraer el sustrato de elastómero, Se aplica estimulación mecánica a aproximadamente 100 millones de microtúbulos que corren sobre la superficie del sustrato. Los investigadores descubrieron por primera vez que los microtúbulos forman patrones de ondas cuando no se aplica estrés. Cuando el sustrato se expande y contrae 1.3 veces o más una vez, casi todos los 100 millones de microtúbulos alineados perpendicularmente al eje de expansión y contracción, y cuando el sustrato se expande y contrae 1.3 veces o menos repetidamente, creó patrones en zigzag colocados en direcciones diagonales.
Su simulación por computadora sugirió que los ángulos de orientación de los microtúbulos corresponden a la dirección para lograr un movimiento suave sin pandeo, que se amplifica aún más por la migración colectiva de los microtúbulos.
Se formó un gran vórtice bajo tensión radial sobre el sustrato. Crédito:Daisuke I. et al., ACS Nano. 4 de octubre 2019
Otro hallazgo importante fue que el patrón de movimiento de los microtúbulos se puede modular mediante la aplicación de nuevos estímulos mecánicos y se puede autorreparar incluso si la disposición de los microtúbulos se altera raspando una parte del mismo.
"Nuestros hallazgos pueden contribuir al desarrollo de nuevas máquinas moleculares que realizan movimientos colectivos y también podrían ayudar a promover tecnologías para dispositivos pequeños que ahorran energía". "Comentó Akira Kakugo.
