Jak wynika z badań opublikowanych w czasopiśmie Nature Nanotechnology, naukowcy stworzyli pierwszy na świecie działający silnik elektryczny w nanoskali. Zespół naukowy zaprojektował turbinę z DNA napędzaną przepływem hydrodynamicznym wewnątrz nanoporu, czyli dziury wielkości nanometra w membranie z azotku krzemu w stanie stałym.
Mały silnik może pomóc w zapoczątkowaniu badań nad przyszłymi zastosowaniami, takimi jak budowa fabryk molekularnych przydatnych chemikaliów lub sond medycznych cząsteczek wewnątrz krwioobiegu w celu wykrywania chorób takich jak rak.
„Zwykłe maszyny makroskopowe stają się nieefektywne w nanoskali” – stwierdził współautor badania, profesor Aleksei Aksimentiev, profesor fizyki na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champagne. „Musimy opracować nowe zasady i mechanizmy fizyczne, aby zbudować silniki elektryczne w bardzo, bardzo małej skali”.
Prace eksperymentalne nad maleńkim silnikiem przeprowadzili Cees Dekker z Politechniki w Delft i Hendrik Dietz z Politechniki w Monachium.
Dietz jest światowym ekspertem w dziedzinie origami DNA. W jego laboratorium manipulowano cząsteczkami DNA, aby stworzyć turbinę małego silnika, która składała się z 30 dwuniciowych helis DNA umieszczonych w osi i trzech łopatkach o długości około 72 par zasad. Prace laboratoryjne Deckera wykazały, że turbina rzeczywiście może się obracać dzięki przyłożeniu pola elektrycznego. Laboratorium Aksimentiewa przeprowadziło symulacje dynamiki molekularnej wszystkich atomów w układzie pięciu milionów atomów, aby scharakteryzować zjawiska fizyczne związane z działaniem silnika.
System był najmniejszą reprezentacją, która mogła dostarczyć znaczących wyników dotyczących eksperymentu; jednakże „była to jedna z największych symulacji, jakie kiedykolwiek przeprowadzono z perspektywy origami DNA” – powiedział Aksimentiew.
Misja niemożliwa do misji możliwej
Texas Advanced Computing Center (TACC) przyznało Aksimentievowi nagrodę Leadership Resource Allocation, która ułatwi mu badania mezoskalowych systemów biologicznych na finansowanej przez National Science Foundation (NSF) Fronterze, czołowym superkomputerze akademickim w USA
„Frontera odegrała kluczową rolę w pracach nad nanorurkami DNA” – powiedział Aksimentiew. „Uzyskaliśmy trajektorie symulacji mikrosekundowej w ciągu dwóch do trzech tygodni, zamiast czekać rok lub dłużej na mniejszych systemach komputerowych. Duże symulacje przeprowadzono na platformie Frontera przy użyciu około jednej czwartej maszyny – ponad 2000 węzłów” – powiedział Aksimentiev. „Jednak nie chodzi tylko o sprzęt, ale także o interakcję z personelem TACC. Niezwykle ważne jest, aby jak najlepiej wykorzystać zasoby, gdy tylko nadarzy się taka okazja”.
Aksimentiev otrzymał także przydział superkomputerów na potrzeby tej pracy od finansowanego przez NSF zaawansowanego ekosystemu koordynacji infrastruktury cybernetycznej: usługi i wsparcie (ACCESS) na terenie Centrum Superkomputerów w San Diego i Anvil na Uniwersytecie Purdue.
„Do symulacji mieliśmy aż 100 różnych systemów nanomotorycznych. Musieliśmy uruchomić je w różnych warunkach i w szybkim tempie, w czym doskonale pomogły superkomputery ACCESS” – powiedział Aksimentiev. „Wielkie podziękowania dla NSF za wsparcie – bez tych systemów nie bylibyśmy w stanie uprawiać nauki, którą uprawiamy”.
DNA jako element konstrukcyjny
Sukces działającej nanoturbiny DNA opiera się na wcześniejszych badaniach, w których wykorzystano także superkomputery Frontera i ACCESS. Badanie wykazało, że pojedyncza helisa DNA to najmniejszy silnik elektryczny, jaki można zbudować – może obracać się z prędkością do miliarda obrotów na minutę.
Według Aksimentiewa DNA stało się materiałem budowlanym w nanoskali.
„Para zasad DNA jest bardzo potężnym narzędziem programistycznym. Możemy programować geometryczne, trójwymiarowe obiekty z DNA za pomocą oprogramowania Cadnano, po prostu programując sekwencję liter tworzących szczeble podwójnej helisy” – wyjaśnił.
Innym powodem stosowania DNA jako elementu budulcowego jest to, że niesie on ładunek ujemny, co jest niezbędną cechą przy budowie silnika elektrycznego.
„Chcieliśmy odtworzyć jedną z najbardziej spektakularnych maszyn biologicznych – syntazę ATP, napędzaną polem elektrycznym. Zdecydowaliśmy się na wykonanie naszego silnika za pomocą DNA” – powiedział Aksimentiev.
„To nowe dzieło to pierwszy silnik w skali nano, w którym możemy kontrolować prędkość i kierunek obrotu” – dodał. Odbywa się to poprzez regulację pola elektrycznego na membranie z nanoporów w stanie stałym i stężenia soli w płynie otaczającym wirnik.
„W przyszłości być może będziemy w stanie zsyntetyzować cząsteczkę za pomocą nowego silnika elektrycznego w nanoskali lub możemy wykorzystać ją jako element większej fabryki molekularnej, w której przemieszczane są różne przedmioty. Możemy też wyobrazić sobie ją jako nośnik miękkich napęd, w którym systemy syntetyczne mogą przedostać się do krwioobiegu i badać cząsteczki lub komórki pojedynczo” – powiedział Aksimentiew.
Jeśli myślisz, że to brzmi jak coś z filmu science-fiction z lat 60., masz rację. W filmie Fantastyczna podróż zespół Amerykanów w nuklearnej łodzi podwodnej zostaje zmniejszony i wstrzyknięty do ciała naukowca, aby naprawić zakrzep krwi i musi działać szybko, zanim miniaturyzacja minie.
Choć może to zabrzmieć naciąganie, Aksimentiew twierdzi, że koncepcja i elementy maszyn, które dzisiaj opracowujemy, mogłyby umożliwić urzeczywistnienie czegoś takiego.
„Udało nam się to osiągnąć dzięki superkomputerom” – powiedział Aksimentiew. „W miarę wzrostu złożoności budowanych przez nas systemów superkomputery stają się coraz bardziej niezbędne. To mikroskopy obliczeniowe, które w najwyższych rozdzielczościach mogą zobaczyć ruch poszczególnych atomów i sposób ich powiązania z większym systemem”.
Finansowanie pochodziło z grantu ERC Advanced Grant nr. 883684 oraz programy NanoFront i BaSyC; Dotacja konsolidatora ERBN dla HD (GA nr 724261), Deutsche Forschungsgemeinschaft za pośrednictwem programu Gottfried-Wilhelm-Leibniz (do HD) i identyfikator projektu SFB863 111166240 TPA9; Grant Narodowej Fundacji Nauki DMR-1827346; Szkoła Maxa Plancka ma znaczenie dla życia i konsorcjum MaxSynBio. Czas superkomputera został zapewniony w ramach przydziału zasobów kierownictwa TACC MCB20012 na platformie Frontera oraz w ramach przydziału ACCESS MCA05S028.