Premier nanomoteur électrique fabriqué à partir d'ADN

Conception du moteur et montage expérimental. a,b, schémas d'un piédestal et d'une plate-forme triangulaire, respectivement. Les cylindres indiquent les doubles hélices d'ADN. c, Illustration schématique des étapes d'assemblage du moteur. d,e, Composants du bras du rotor. f, gauche, illustration schématique de la configuration expérimentale pour observer la dynamique du moteur dans un microscope TIRF inversé. Le socle est fixé par plusieurs liaisons biotine-neutravidine à une lamelle de microscope. Étoile orange, colorants Cy5. Étoiles bleues, positions d'étiquetage pour les brins d'imageur DNA-PAINT. A droite, deux électrodes de platine sont immergées dans la chambre à liquide par le haut et connectées à un générateur de fonctions générant un courant alternatif rectangulaire pour créer une modulation énergétique à axe fixe qui agit sur tous les moteurs. Crédit :Nature (2022). DOI :10.1038/s41586-022-04910-y

Une équipe de recherche dirigée par l'Université technique de Munich (TUM) a réussi pour la première fois à produire un moteur électrique moléculaire en utilisant la méthode de l'origami ADN. La minuscule machine faite de matériel génétique s'auto-assemble et convertit l'énergie électrique en énergie cinétique. Les nouveaux nanomoteurs peuvent être allumés et éteints, et les chercheurs peuvent contrôler la vitesse de rotation et le sens de rotation.

Que ce soit dans nos voitures, nos perceuses ou nos moulins à café automatiques, les moteurs nous aident à effectuer des travaux dans notre vie quotidienne pour accomplir une grande variété de tâches. À une échelle beaucoup plus petite, les moteurs moléculaires naturels effectuent des tâches vitales dans notre corps. Par exemple, une protéine motrice connue sous le nom d'ATP synthase produit la molécule d'adénosine triphosphate (ATP), que notre corps utilise pour le stockage et le transfert d'énergie à court terme.

Alors que les moteurs moléculaires naturels sont essentiels, il a été assez difficile de recréer des moteurs à cette échelle avec des propriétés mécaniques à peu près similaires à celles des moteurs moléculaires naturels comme l'ATP synthase. Une équipe de recherche a maintenant construit un moteur rotatif moléculaire fonctionnel à l'échelle nanométrique en utilisant la méthode de l'origami d'ADN et a publié ses résultats dans Nature . L'équipe était dirigée par Hendrik Dietz, professeur de nanotechnologie biomoléculaire à la TUM, Friedrich Simmel, professeur de physique des systèmes biologiques synthétiques à la TUM, et Ramin Golestanian, directeur de l'Institut Max Planck pour la dynamique et l'auto-organisation.

Un nanomoteur auto-assemblé

Le nouveau moteur moléculaire est constitué d'ADN, c'est-à-dire de matériel génétique. Les chercheurs ont utilisé la méthode de l'origami ADN pour assembler le moteur à partir de molécules d'ADN. Cette méthode a été inventée par Paul Rothemund en 2006 et a ensuite été développée par l'équipe de recherche de TUM. Plusieurs longs brins simples d'ADN servent de base à laquelle des brins d'ADN supplémentaires se fixent comme homologues. Les séquences d'ADN sont sélectionnées de manière à ce que les brins et les plis attachés créent les structures souhaitées.

"Nous avons fait progresser cette méthode de fabrication pendant de nombreuses années et pouvons maintenant développer des objets très précis et complexes, tels que des interrupteurs moléculaires ou des corps creux qui peuvent piéger des virus. Si vous mettez les brins d'ADN avec les bonnes séquences en solution, les objets s'auto-assembler", explique Dietz.

Le nouveau nanomoteur en matériau ADN se compose de trois composants :une base, une plate-forme et un bras de rotor. La base mesure environ 40 nanomètres de haut et est fixée à une plaque de verre en solution via des liaisons chimiques sur une plaque de verre. Un bras de rotor d'une longueur pouvant atteindre 500 nanomètres est monté sur la base afin qu'il puisse tourner. Un autre composant est crucial pour que le moteur fonctionne comme prévu :une plate-forme située entre la base et le bras du rotor. Cette plate-forme contient des obstacles qui influencent le mouvement du bras du rotor. Pour passer les obstacles et tourner, le bras du rotor doit se plier légèrement vers le haut, comme un cliquet.

Analyse structurale du moteur ADN de l'origami. a, Différentes vues d'une carte de densité électronique 3D du bloc moteur déterminée au moyen d'une cryo-EM à une seule particule (voir également Données étendues Fig. 4 et dans la banque de données de microscopie électronique (EMDB) sous le code EMD-14358). b, détail de la carte cryo-EM du bloc moteur représenté à différents seuils de densité auxquels les trois obstacles et le quai du rotor peuvent être discernés. En médaillon, schéma montrant les six sites d'habitation privilégiés du bras du rotor. c, Exemples d'images TEM à coloration négative d'une variante de moteur avec un long bras de rotor attaché. Barre d'échelle, 50 nm. d, Exemples d'images de fluorescence à une seule particule. Barre d'échelle, 500 nm. Les images montrent l'écart type de l'intensité moyenne par pixel calculée sur toutes les images des vidéos TIRF enregistrées. e, images DNA-PAINT montrant les positions de l'extrémité du bras du rotor par rapport à la plate-forme triangulaire. Barre d'échelle, 500 nm. Crédit :Nature (2022). DOI :10.1038/s41586-022-04910-y

Mouvement ciblé via la tension alternative

Sans apport d'énergie, les bras rotoriques des moteurs se déplacent de manière aléatoire dans un sens ou dans l'autre, entraînés par des collisions aléatoires avec des molécules du solvant environnant. Cependant, dès qu'une tension alternative est appliquée via deux électrodes, les bras du rotor tournent de manière ciblée et continue dans un sens.

« Le nouveau moteur a des capacités mécaniques sans précédent :il peut atteindre des couples de l'ordre de 10 piconewton fois le nanomètre. Et il peut générer plus d'énergie par seconde que ce qui est libéré lorsque deux molécules d'ATP sont séparées », explique Ramin Golestanian, qui a dirigé l'analyse théorique. du mécanisme du moteur.

Le mouvement ciblé des moteurs résulte d'une superposition des forces électriques fluctuantes avec les forces subies par le bras du rotor en raison des obstacles à rochet. Le mécanisme sous-jacent réalise un soi-disant "cliquet brownien clignotant". Les chercheurs peuvent contrôler la vitesse et le sens de la rotation via la direction du champ électrique et également via la fréquence et l'amplitude de la tension alternative.

"Le nouveau moteur pourrait également avoir des applications techniques à l'avenir. Si nous développons davantage le moteur, nous pourrions éventuellement l'utiliser à l'avenir pour conduire des réactions chimiques définies par l'utilisateur, inspirées par la façon dont l'ATP synthase rend l'ATP entraîné par rotation. Ensuite, par exemple , les surfaces pourraient être densément recouvertes de tels moteurs. Ensuite, vous ajouteriez des matériaux de départ, appliqueriez une petite tension alternative et les moteurs produiraient le composé chimique souhaité », explique Dietz. + Explorer plus loin