La figure montre la configuration des pincettes magnétiques pour la détection de force d'un seul moteur moléculaire (à gauche) et deux trajectoires enregistrées montrant le mouvement pas à pas rapide du moteur (à droite, contre une force opposée de 1,5 pN). Le panneau supérieur et inférieur à droite montre les événements de progression individuels enregistrés du moteur moléculaire avec des fluctuations de la vitesse de mouvement typiques des expériences à une seule molécule. Un nanomoteur bipède unique avec une longue piste est assemblé à partir de nombreuses molécules courtes d'ADN simple brin sous une perle paramagnétique. Le moteur se déplace de manière autonome en consommant un court ADN simple brin comme carburant à l'aide d'une enzyme protéique. Le mouvement du moteur moléculaire s'oppose à une force vers l'arrière appliquée à la perle, ce qui permet de mesurer le mouvement de résistance à la charge du moteur et la force de sortie. Crédit :Nanoscale (2021). DOI :10.1039/D1NR02296B
Des physiciens de l'Université nationale de Singapour ont montré qu'un seul moteur moléculaire artificiel peut présenter une force similaire à celles qui alimentent les muscles humains. Leurs résultats sont publiés dans Nanoscale .
Les moteurs moléculaires sont une classe de machines aux dimensions nanométriques qui sont des agents essentiels du mouvement des organismes vivants. Ils exploitent diverses sources d'énergie dans le corps pour générer un mouvement mécanique. Une caractéristique clé est la force générée par un seul moteur lors de son mouvement automoteur. Cette capacité de génération de force permet au moteur moléculaire de fournir un travail mécanique et est une mesure de son efficacité de conversion d'énergie, qui influence son utilisation dans des applications potentielles.
La mesure de la force générée par les moteurs moléculaires naturels, qui sont généralement constitués de protéines, a été réalisée il y a deux décennies. Cependant, des mesures similaires pour les moteurs moléculaires artificiels fabriqués à partir d'ADN (acide désoxyribonucléique) restent un défi. Une collaboration de recherche entre le Molecular Motors Laboratory du professeur agrégé Zhisong Wang et le Single-Molecule Biophysics Laboratory du professeur Jie Yan, tous deux du Département de physique, NUS a réussi à détecter la force générée par un moteur moléculaire d'ADN en mouvement.
Il est difficile de détecter les forces créées par un seul moteur moléculaire en mouvement pour les moteurs artificiels car ils sont petits et fonctionnent principalement sur des pistes molles (par exemple, l'ADN double brin). Les chenilles souples ne sont pas fixes et ont tendance à s'enrouler en une forme circulaire. Cela affecte le mouvement du moteur artificiel. L'équipe de recherche a surmonté cette difficulté en concevant et en exécutant en parallèle des expériences sur une seule molécule qui maintenaient les pistes en place à l'échelle nanométrique tout en détectant simultanément la force minuscule créée par le moteur moléculaire en mouvement. Grâce à la technique des pinces magnétiques, ils ont d'abord assemblé un moteur moléculaire artificiel et sa piste sous une bille paramagnétique (outil d'isolement de biomolécules). Ils ont ensuite commuté la perle paramagnétique sur un mode de détection de force (voir figure).
L'équipe de recherche a appliqué avec succès leur méthode à un moteur moléculaire à ADN autonome (précédemment développé par le laboratoire du professeur Wang). Ce moteur moléculaire bipède est capable de "marcher" consécutivement de lui-même avec une longueur de pas d'environ 16 nm entre chaque pas, fournissant une sortie de force maximale d'environ 2 à 3 pN. Cette sortie de force mesurée est à un niveau proche des moteurs moléculaires naturels alimentant les muscles humains, indiquant une conversion raisonnablement efficace de l'énergie chimique en mouvement mécanique.
Le professeur Wang a déclaré :« Cette étude ouvre la voie au développement d'applications associées aux moteurs moléculaires artificiels translationnels qui nécessitent la génération de forces. Les exemples incluent les robots moléculaires et les muscles artificiels biomimétiques. applicable à la mesure de la force de nombreux autres moteurs moléculaires artificiels à pistes souples." Les physiciens créent des moteurs moléculaires auto-dirigés qui marchent sur des rails
