Des chercheurs de la TU Delft ont construit les plus petits moteurs à flux au monde. Inspirés par les moulins à vent néerlandais emblématiques et les protéines motrices biologiques, ils ont créé un rotor à auto-configuration et piloté par le flux à partir d'ADN qui convertit l'énergie d'un gradient électrique ou salin en un travail mécanique utile. Les résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour l'ingénierie de la robotique active à l'échelle nanométrique. L'article est maintenant publié dans Nature Physics .

Construction insaisissable

Les moteurs rotatifs ont été les centrales électriques des sociétés humaines pendant des millénaires, des moulins à vent et des roues hydrauliques aux éoliennes offshore les plus avancées d'aujourd'hui qui conduisent l'avenir de l'énergie verte. « Ces moteurs rotatifs, entraînés par un flux, figurent également en bonne place dans les cellules biologiques. Un exemple est la synthase FoF1-ATP, qui produit le carburant dont les cellules ont besoin pour fonctionner. Mais la construction synthétique à l'échelle nanométrique est jusqu'à présent restée insaisissable », dit le Dr Xin Shi, postdoctorant dans le laboratoire du prof. Cees Dekker dans le département de Bionanoscience à TU Delft.

"Notre moteur piloté par le flux est fabriqué à partir d'ADN. Cette structure est amarrée à un nanopore, une minuscule ouverture, dans une fine membrane. Le faisceau d'ADN, d'une épaisseur de seulement 7 nanomètres, s'auto-organise sous un champ électrique en un rotor en forme de configuration, qui est ensuite mise dans un mouvement de rotation soutenu de plus de 10 tours par seconde », explique Shi, premier auteur de la publication dans Nature Physics .

Origami ADN

"Depuis sept ans, nous essayons de construire de manière synthétique de tels nanomoteurs rotatifs de bas en haut. Nous utilisons une technique appelée DNA origami, en collaboration avec le laboratoire d'Hendrik Dietz de l'Université technique de Munich", ajoute Cees Dekker, qui a supervisé les recherches. . Cette technique utilise les interactions spécifiques entre paires de bases d'ADN complémentaires pour construire des nano-objets 2D et 3D. Les rotors captent l'énergie d'un flux d'eau et d'ions qui s'établit par une tension appliquée ou encore plus simple :en ayant des concentrations de sel différentes des deux côtés de la membrane. Ce dernier est l'une des sources d'énergie les plus abondantes en biologie qui alimente divers processus critiques, comme la synthèse de carburant cellulaire et la propulsion cellulaire.

Résoudre une énigme

Cette réalisation est une étape importante, car il s'agit de la toute première réalisation expérimentale de rotors actifs pilotés par flux à l'échelle nanométrique. Cependant, lorsque les chercheurs ont observé les rotations pour la première fois, ils étaient perplexes :comment des bâtonnets d'ADN aussi simples pouvaient-ils présenter ces belles rotations soutenues ? L'énigme a été résolue lors de discussions avec le théoricien Ramin Golestanian et son équipe de l'Institut Max Planck pour la dynamique et l'auto-organisation à Göttingen. Ils ont modélisé le système et révélé le fascinant processus d'auto-organisation où les faisceaux se déforment spontanément en rotors chiraux qui se couplent ensuite au flux des nanopores.

De la simplicité au design rationnel

"Ce processus d'auto-organisation montre vraiment la beauté de la simplicité", déclare Shi. Mais l'importance de ce travail ne s'arrête pas à ce simple rotor lui-même. La technique et le mécanisme physique sous-jacents établissent une toute nouvelle direction dans la construction de nanomoteurs synthétiques :les nanoturbines pilotées par flux, qui est un domaine étonnamment inexploré par les scientifiques et les ingénieurs. "Vous seriez surpris du peu de connaissances et de réalisations que nous avons réalisées sur la construction de telles nanoturbines pilotées par le flux, en particulier compte tenu des connaissances millénaires que nous avons sur la construction de leurs homologues à grande échelle et des rôles essentiels qu'elles remplissent dans la vie elle-même", déclare Shi.

Dans une étape supplémentaire (qui est en préimpression), le groupe a utilisé les connaissances acquises lors de la construction de ce rotor auto-organisé pour réaliser une prochaine avancée importante :la première turbine à l'échelle nanométrique conçue de manière rationnelle. "Comme la façon dont la science et les technologies fonctionnent toujours, nous sommes partis d'un simple moulin à vent, nous sommes maintenant capables de recréer les magnifiques moulins à vent hollandais, mais cette fois avec une taille de seulement 25 nm, la taille d'une seule protéine dans votre corps", explique Shi , "et nous avons démontré leur capacité à porter des charges."

"Et maintenant, le sens de rotation a été défini par la chiralité conçue", ajoute Dekker. "Les turbines gauchers tournaient dans le sens des aiguilles d'une montre ; les droites tournaient dans le sens inverse des aiguilles d'une montre."

Machine à vapeur

Ensuite, pour mieux comprendre et imiter les protéines motrices telles que la FoF1-ATP synthase, les résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour l'ingénierie de la robotique active à l'échelle nanométrique. Shi :"Ce que nous avons démontré ici est un moteur à l'échelle nanométrique qui est vraiment capable de transduire de l'énergie et de faire du travail. Vous pourriez faire une analogie avec la première invention de la machine à vapeur au 18ème siècle. Qui aurait pu prédire alors comment cela a fondamentalement changé Nous pourrions être dans une phase similaire maintenant avec ces nanomoteurs moléculaires. Le potentiel est illimité, mais il reste encore beaucoup de travail à faire. + Explorer plus loin

Premier nanomoteur électrique fabriqué à partir de matériau ADN