(Phys.org)—Pour la première fois, les chercheurs ont démontré un nanomoteur à ADN qui peut « marcher » le long d'une piste avec un mouvement durable. Le nanomoteur a également le rendement énergétique le plus élevé pour tout type de nanomoteur de marche, ou "nanowalker, " signalé à ce jour, utilisant environ une molécule de carburant par étape.

Chercheurs Meihan Liu et al. à l'Université nationale de Singapour ont publié un article sur l'ADN nanowalker dans un récent numéro de ACS Nano .

Le petit moteur illustre comment des effets purement physiques peuvent permettre la récolte efficace d'énergie chimique au niveau d'une seule molécule. En fonctionnant à l'énergie chimique, le nouveau moteur fonctionne complètement différemment de n'importe quel moteur macroscopique, et rapproche les chercheurs de la réplication des biomoteurs hautement efficaces qui transportent les marchandises dans les cellules vivantes.

Une caractéristique importante du nouveau nanowalker est que, comme les biomoteurs dans les cellules vivantes, c'est une enzyme. Cela signifie qu'il aide à initier la réaction chimique productrice de carburant qui génère son mouvement sans changer de façon permanente lui-même ou sa trajectoire. Ce trait permet répété, mouvement durable, ce qui n'a été réalisé par aucun nanomarche synthétique à propulsion chimique jusqu'à présent. La plupart des autres nanowalkers ont été des "moteurs à pont de combustion, " ce qui signifie qu'ils ne sont pas des enzymes mais consomment plutôt leurs traces comme carburant.

Créer des nanowalkers enzymatiques est très difficile, les progrès dans ce domaine ont donc été relativement lents au cours des dernières années. La seule autre démonstration d'un marcheur enzymatique remonte à 2009, lorsque les chercheurs ont conçu un nanowalker qui, bien qu'enzymatique, ne peut pas atteindre un mouvement durable car sa piste s'enroule avec le temps et arrête finalement le moteur. Ce nanowalker utilise plus de deux molécules de carburant par étape, et des études depuis lors ont suggéré que deux molécules de carburant par étape est un seuil général pour les nanomoteurs enzymatiques.

Avec sa capacité de mouvement durable et un rendement énergétique d'environ une molécule par étape, le nouveau nanowalker représente une avancée dans ce domaine.

La clé de cette réussite a été de trouver un mécanisme physique permettant de récolter efficacement l'énergie chimique au niveau d'une seule molécule. Ce mécanisme se compose de trois « portes chimiomécaniques » qui garantissent essentiellement que le nanowalker marche en ramassant toujours sa jambe arrière et non sa jambe avant.

Pour faire ça, ces portes contrôlent physiquement l'ordre dans lequel les produits sont libérés dans la réaction chimique qui propulse le nanowalker vers l'avant. Par conséquent, la jambe arrière du nanomarche ADN se dissocie d'abord de la piste et fait un pas en avant avant que la jambe avant ne se dissocie. Puis quand la jambe avant devient la jambe arrière, cette jambe fait un pas en avant, et le cycle de marche se répète. La dissociation de chaque jambe se produit lorsqu'une enzyme "coupe" une molécule de carburant qui est liée à la jambe, de sorte qu'une molécule est tout ce qui est nécessaire pour faire un pas. A l'aide d'un microscope à fluorescence, les chercheurs ont observé que le nanowalker de 20 nm de long pouvait se déplacer à des vitesses allant jusqu'à 3 nm par minute.

Comme l'expliquent les chercheurs, le mécanisme de contrôle du produit est unique aux nanomoteurs à propulsion chimique. Il n'est pas utilisé par d'autres types de nanomoteurs, tels que ceux entraînés par la lumière ou des champs électriques/magnétiques, ni par des moteurs macroscopiques, qui brûlent généralement une grande quantité de molécules de carburant pour générer de la chaleur, puis utiliser la chaleur pour générer du mouvement afin de produire du travail.

Le contrôle des produits est, cependant, utilisé dans les biomoteurs bipèdes à l'intérieur des cellules vivantes, qui consomment de l'ATP (adénosine triphosphate) comme carburant. Lorsque la plus petite molécule de phosphate dans l'ATP est libérée avant la plus grande molécule d'ADP (adénosine diphosphate), le biomoteur se déplace dans une direction; lorsque les produits sortent dans l'ordre inverse, le biomoteur se déplace dans la direction opposée.

Étant donné que le nouveau nanowalker est une démonstration rare de contrôle de produit dans un moteur synthétique, les chercheurs espèrent que cela guidera le développement futur des nanomoteurs à propulsion chimique vers l'objectif ultime de reproduire le transport hautement efficace présenté dans les cellules vivantes. Une prochaine étape possible dans ce domaine est de fabriquer un train de nanomarcheurs pour démontrer le transport collectif, qui est une caractéristique commune des biomoteurs. Ces nanomoteurs pourraient à terme déboucher sur plusieurs nouvelles applications.

"Les nanowalkers enzymatiques sont un élément clé pour répliquer l'autonomie, un transport intracellulaire répétable et efficace, " co-auteur Zhisong Wang, un physicien à l'Université nationale de Singapour, Raconté Phys.org . "Cette capacité est importante car elle conduit à une variété d'applications nanotechnologiques, tels que la livraison de médicaments sur moteur partout où la piste mène, jusqu'à une résolution à l'échelle nanométrique pour la localisation ; détection et transduction de signaux (par capture et concentration d'agents chimiques) ; chaînes de synthèse automatisées en plusieurs étapes et d'assemblage à l'échelle nanométrique ; et la conversation énergétique pour la technologie énergétique."

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