Nanoteknolojide DNA Origami ile devrim: DNA Nanotürbini iyon güçleriyle mekanik dönüşlere imkan tanıyor

Delft Teknoloji Üniversitesi’nden Prof. Cees Dekker liderliğinde uluslararası işbirliği yapan bir araştırma ekibi, nanomotorlar dünyasında devrim niteliğinde bir buluş olan DNA origami nanotürbinini tanıttı. Bu nanometre ölçekli cihaz, katı hal nanoporu üzerindeki iyon gradyanlarından veya elektrik potansiyelinden güç elde etme yeteneği sunarak mekanik dönüşlere yol açabilir. Bu keşfin çekirdeği, minik bir 25 nanometre çerçevesi içinde üç kiral bıçağa sahip olan “DNA origami” türbinin tasarımı, yapımı ve tahrikli hareketidir. İki kiral türbinin zekice tasarlanmasıyla araştırmacılar artık dönüşün yönünü, saat yönünde veya saat yönünün tersine, belirleme yeteneğine sahiptirler. Bu bulgular Nature Nanotechnology dergisinde yayımlanmıştır.

Akışla tahrik edilen türbinler, toplumlarımızı şekillendiren devrim niteliğindeki makinelerin kalbinde yer alır, rüzgar değirmenlerinden uçaklara kadar. Hatta yaşamın kendisi, biyolojik hücreler için yakıt üreten FoF1-ATP sentazı ve bakterileri tahrik eden bakteriyel flagella motoru gibi temel işlemler için türbinlere kritik olarak bağımlıdır.

Makalenin baş yazarı Xin Shi şunları söylüyor: “Nanotürbinimizin 25 nanometre çapında bir DNA malzemeden yapılmış rotoru vardır ve yönlendirmek için bıçakları sağa veya sola doğru yapılandırılmıştır. Bu yapı, bir nanoporda, ince bir membran içindeki bir iyon gradyanı veya tuz konsantrasyon farkı tarafından kontrol edilen güçlü bir su akışında bulunur. Tıpkı bir elektrik akımı gibi çalışır ve tuz konsantrasyon farkı ile dönüşen bir çubuğu saniyede 10 devire kadar döndürdük.”

BÜYÜLEYİCİ BİR KEŞİF

Bu araştırmanın en ilginç keşiflerinden biri, DNA origami nano-türbininin benzersiz dönüş doğasının etkilenmesidir. Davranışı iyon konsantrasyonundan etkilenir ve çözeltideki Na+ iyonlarının konsantrasyonuna bağlı olarak saat yönünde veya saat yönünün tersine dönmesine izin verir. Bu benzersiz özellik, nanometre ölçekli dünyaya özgüdür ve iyonlar, su ve DNA arasındaki karmaşık etkileşimin bir sonucudur. Bu bulgular, Illinois Üniversitesi’nden Aleksei Aksimentiev’in ekibinin kapsamlı moleküler dinamik simülasyonlarıyla ve MPI Göttingen’den Ramin Golestanian’ın teorik modellemeleriyle sıkı bir şekilde desteklenmektedir ve nanoteknolojinin ufuklarını genişletme ve sayısız uygulama sunma vaadi taşır. Gelecekte, insan vücuduna belirli hücre türlerine ilaç taşıyabilen nanomakinalar yapmak için DNA origami kullanabiliriz.

Araştırmayı denetleyen Cees Dekker, metodolojilerini şöyle açıklıyor: “Teknik Üniversitesi Münih’ten Hendrik Dietz’in laboratuvarındaki işbirliğimizle, daha önceki DNA döner motorlar üzerine yaptığımız çalışmalardan elde ettiğimiz bilgileri kullanarak şimdi tasarım ve işletme üzerinde tam kontrol sahibi bir türbin oluşturduk.”

“DNA origami” tekniği, komplementer DNA baz çiftleri arasındaki özel etkileşimleri kullanarak dinamik 3D nano nesneler inşa etmek için kullanılır. Bu tasarım, türbinin nanoparzere dönüş yönünün bıçakların eliyle kontrol edilmesine olanak tanır ve türbinin diğer nanomakinelerle kolay entegrasyonunu sağlar.

AKTİF TRANSMEMBRAN NANOMAKİNELERİNE YENİ BİR ADIM

Bu araştırma başarısı, geçen yıl tanıtılan DNA aktif nanorotorunun ardından geldi, bu da kendiliğinden konfigüre olan ve elektrik veya tuz gradyanlarından enerjiyi mekanik işe dönüştürebilen bir cihazdır.

Xin Shi, çalışmayı şöyle değerlendiriyor: “Nanometre ölçekli bir rotorun su ve tuzla tahrik edilmesinin temel prensiplerini ortaya çıkardık. Bu yılın başarısı, rasyonel tasarım tarafından yönlendirilen bir sonraki aşamayı işaret ediyor.”

“Önceki makalemizden gelen temel prensipler, bu makaledeki yeniliklerle birleşerek biyomimetik transmembran makinelerin geleceği için sahneyi hazırlar. Bu makineler, biyolojik motorlar tarafından kullanılan önemli bir enerji kaynağı olan tuz gradyanlarından enerjiyi kullanma potansiyeline sahiptir.”

Haber Merkezi