Un equipo colaborativo de investigadores dirigido por el profesor Cees Dekker de la Universidad Tecnológica de Delft, en colaboración con colegas internacionales, ha introducido un avance pionero en el mundo de los nanomotores:la nanoturbina de origami de ADN. Este dispositivo a nanoescala podría representar un cambio de paradigma, aprovechando la energía de los gradientes iónicos o del potencial eléctrico a través de un nanoporo de estado sólido para impulsar la turbina a rotaciones mecánicas.
El núcleo de este descubrimiento es el diseño, la construcción y el movimiento impulsado de una turbina de "origami de ADN", que cuenta con tres aspas quirales, todas dentro de un marco minúsculo de 25 nanómetros, que funcionan en un nanoporo de estado sólido. Al diseñar ingeniosamente dos turbinas quirales, los investigadores ahora tienen la capacidad de dictar la dirección de rotación, en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj. Sus hallazgos han sido publicados en Nature Nanotechnology. .
Las turbinas impulsadas por flujo se encuentran en el corazón de muchas máquinas revolucionarias que han dado forma a nuestras sociedades, desde los molinos de viento hasta los aviones. Incluso la vida misma depende críticamente de las turbinas para procesos fundamentales, como la FoF1-ATP sintasa que produce combustibles para las células biológicas y el motor de flagelos bacterianos que impulsa a las bacterias.
"Nuestra nanoturbina tiene un rotor de 25 nanómetros de diámetro hecho de material de ADN con palas configuradas en sentido diestro o zurdo para controlar la dirección de rotación. Para funcionar, esta estructura está acoplada a un fuerte flujo de agua, controlado por un campo eléctrico o diferencia de concentración de sal, desde un nanoporo, una pequeña abertura, en una membrana delgada. Usamos nuestra turbina para impulsar una varilla rígida hasta 10 revoluciones por segundo", dice Xin Shi, autor principal del artículo.
Uno de los descubrimientos más intrigantes de esta investigación es la naturaleza única de la rotación de la nanoturbina de origami de ADN. Su comportamiento está influenciado por la concentración de iones, permitiendo que una misma turbina gire en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario, dependiendo de la concentración de Na + . iones en la solución.
Esta característica única, exclusiva del ámbito de la nanoescala, es el resultado de la intrincada interacción entre iones, agua y ADN.
Estos hallazgos, rigurosamente respaldados por extensas simulaciones de dinámica molecular realizadas por el grupo de Aleksei Aksimentiev de la Universidad de Illinois y modelos teóricos de Ramin Golestanian del MPI Göttingen, prometen ampliar los horizontes de la nanotecnología y ofrecen numerosas aplicaciones. Por ejemplo, en el futuro, podríamos utilizar origami de ADN para fabricar nanomáquinas que puedan administrar medicamentos al cuerpo humano, a tipos específicos de células.
Cees Dekker, quien supervisó la investigación, arroja luz sobre su metodología diciendo:"Junto con nuestros colaboradores en el laboratorio de Hendrik Dietz de la Universidad Técnica de Munich, utilizamos conocimientos de nuestro trabajo anterior sobre motores rotativos de ADN para crear ahora una turbina con control total. sobre su diseño y funcionamiento."
La técnica del "origami de ADN" utiliza interacciones específicas entre pares de bases de ADN complementarios para construir nanoobjetos dinámicos en 3D. Este diseño permite controlar la dirección de rotación de la turbina en nuestros nanoporos mediante la dirección de las aspas y permite una integración sencilla de la turbina a otras nanomáquinas.
Este logro de investigación sigue a la introducción el año pasado del nanorotor activo de ADN, un dispositivo autoconfigurable capaz de transformar la energía de gradientes eléctricos o de sal en trabajo mecánico práctico.
Al reflexionar sobre el trabajo, Xin Shi dijo:"Hemos desvelado los principios fundamentales detrás de la propulsión de un rotor a nanoescala utilizando agua y sal en nanoporos. El avance de este año, impulsado por un diseño racional, marca la siguiente fase de nuestro viaje".>
"Los principios fundamentales de nuestro artículo anterior, combinados con las innovaciones de este, sientan las bases para el futuro de las máquinas biomiméticas transmembrana, con el potencial de aprovechar la energía de los gradientes de sal, una fuente de energía vital empleada por los motores biológicos". P>
Más información: Xin Shi et al, Una turbina de ADN impulsada por un potencial transmembrana a través de un nanoporo, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01527-8
Información de la revista: Nanotecnología de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Delft
