Delftse onderzoekers maken DNA-motoren op nanoschaal

Onderzoekers van de TU Delft hebben de kleinste door stroming gedreven motoren ter wereld ontwikkeld. Geïnspireerd door de iconische Nederlandse windmolens en door biologische motoreiwitten hebben ze een zichzelf configurerende, stromingsgedreven turbine uit DNA gemaakt, die energie van een elektrische of zoutgradiënt omzet in bruikbaar mechanisch vermogen. De resultaten bieden perspectief voor de ontwikkeling van actieve robotica op nanoschaal. Het artikel is vandaag gepubliceerd in Nature Physics.

Ongrijpbaar
Draaiende turbines zijn al millennia lang de krachtpatsers van menselijke samenlevingen: van de windmolen en het waterrad in Nederland tot de meest geavanceerde off-shore windturbines die de toekomst van duurzame energie aandrijven. "Zulke draaiende motoren, aangedreven door stroming, komen ook veel voor in biologische cellen. Een voorbeeld is FoF1-ATP synthase, die de brandstof produceert die cellen nodig hebben om te werken. Tot nu toe bleef de kunstmatige constructie op nanoschaal echter ongrijpbaar", zegt dr. Xin Shi, postdoc in het lab van prof. Cees Dekker bij de afdeling Bionanoscience van de TU Delft. 
"Onze stromingsgedreven nanoturbine is gemaakt van DNA-materiaal. De structuur wordt geplaatst op een nanogaatje, een minuscule opening in een dun membraan. De DNA-bundel van slechts 7 nanometer dikte organiseert zichzelf vervolgens door middel van een elektrisch veld tot een soort van turbine. Deze rotor maakt vervolgens meer dan 10 omwentelingen per seconde", aldus Shi, eerste auteur van de publicatie in Nature Physics. 

DNA origami    
"Al 7 jaar proberen we dergelijke roterende nanomotoren kunstmatig op te bouwen. We gebruiken een techniek die DNA origami heet, in samenwerking met het lab van Hendrik Dietz van de Technische Universiteit van München", voegt Cees Dekker toe, die het onderzoek leidt. Deze techniek maakt gebruik van de interacties tussen complementaire DNA basenparen om 2D- en 3D-nano-objecten te bouwen. De nanomotoren halen hun energie uit een water- en ionenstroom die tot stand komt door een elektrische spanning, of nog eenvoudiger: door verschillende zoutconcentraties aan de twee zijden van het membraan. Dat laatste is een van de meest voorkomende energiebronnen in de biologie, die verschillende kritieke processen aandrijft, zoals de cellulaire brandstofproductie en de voortbeweging van cellen. 

Een puzzel oplossen    
De prestatie is een mijlpaal, omdat het de allereerste keer is dat een stromingsgedreven motor op nanoschaal is ontwikkeld. Toen de onderzoekers de rotaties voor het eerst zagen, stonden ze voor een raadsel: hoe konden zulke eenvoudige DNA-staafjes zulke mooie, constante rotaties vertonen? In overleg met theoreticus Ramin Golestanian en zijn team van het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization in Göttingen werd de puzzel opgelost. Zij modelleerden het systeem en onthulden het boeiende zelf-organisatieproces waarbij de DNA-bundels vervormen tot de spiraalvormige motoren, die zich vervolgens verbinden aan de vloeistofstroming door het nanogaatje.  

Van eenvoudig naar slim ontwerp     
"Het zelforganisatieproces laat echt de schoonheid van eenvoud zien", zegt Shi. Maar het belang van dit werk houdt niet op bij deze eenvoudige motor zelf. De techniek en het fysische mechanisme erachter geven een hele nieuwe richting aan het bouwen van synthetische nanomotoren: door stroming gedreven nanomotoren, een verrassend onontgonnen gebied voor wetenschappers en ingenieurs. "Het zal je verbazen hoe weinig we nog maar weten en bereikt hebben over het bouwen van dergelijke nanomotoren. Zeker gezien de eeuwenoude kennis die we hebben over het bouwen van hun tegenhangers op macroschaal, en de cruciale rollen die ze vervullen in het leven zelf", zegt Shi. 

In een volgende stap (in preprint), hebben de onderzoekers de kennis die is opgedaan bij het bouwen van deze zelforganiserende nanoturbine gebruikt om het volgende belangrijke resultaat te bereiken: de eerste rationeel ontworpen turbine op nanoschaal. "Zoals wetenschap en technologie altijd werken, zijn we begonnen met een simpel windmolentje, nu zijn we al in staat om de prachtige Nederlandse windmolens na te bouwen, maar dan met een grootte van slechts 25 nanometer, de grootte van een enkel eiwit in je lichaam", zegt Shi, "en we hebben aangetoond dat ze arbeid kunnen verrichten." "Daarbij kon nu de draairichting worden ingesteld door de ontworpen spiraalrichting", voegt Dekker toe. "Linkshandige turbines draaiden met de klok mee; rechtshandige draaiden tegen de klok in."    

Stoommachine
Naast het beter begrijpen en namaken van motoreiwitten zoals FoF1-ATP synthase, bieden de resultaten nieuwe perspectieven voor het ontwikkelen van actieve robotica op nanoschaal. Shi: "Wat we hier hebben gedemonstreerd is een motor op nanoschaal die in staat is om energie over te brengen en arbeid te verrichten. Je zou een analogie kunnen trekken met de eerste uitvinding van de stoommachine in de 18e eeuw. Wie had toen kunnen voorspellen hoe die onze samenlevingen fundamenteel heeft veranderd? We zitten nu in een soortgelijke fase met deze moleculaire nanomotoren. De mogelijkheden zijn eindeloos, maar er is nog veel werk te doen."

Contactinformatie:    
Prof. dr. Cees Dekker, C.Dekker@tudelft.nl,  +31 15 2786094    
Persvoorlichter TU Delft, Dimmy van Ruiten, D.M.vanRuiten@tudelft.nl, +31 15 2781588 

Publicatie:      
Sustained unidirectional rotation of a self-organized DNA rotor on a nanopore
Xin Shi (1), Anna-Katharina Pumm (2), Jonas Isensee (3), Wenxuan Zhao (1), Daniel Verschueren (1), Alejandro Martin-Gonzalez (1), Ramin Golestanian (3,4), Hendrik Dietz (2), Cees Dekker, (1)
https://doi.org/10.1038/s41567-022-01683-z 

1. Department of Bionanoscience, Kavli Institute of Nanoscience Delft, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands.
2. Lehrstuhl für Biomolekulare Nanotechnologie, Physik Department & Munich Institute of Biomedical Engineering, Technische Universität München, Garching near Munich, Germany
3. Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization, Göttingen 37077, Germany
4. Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics, University of Oxford, OX1 3PU, Oxford, UK