Une équipe collaborative de chercheurs dirigée par le professeur Cees Dekker de l’Université de technologie de Delft, en partenariat avec des collègues internationaux, a introduit une percée pionnière dans le monde des nanomoteurs :la nanoturbine origami à ADN. Ce dispositif à l'échelle nanométrique pourrait représenter un changement de paradigme, en exploitant la puissance des gradients ioniques ou du potentiel électrique à travers un nanopore à l'état solide pour entraîner la turbine dans des rotations mécaniques.
Le cœur de cette découverte est la conception, la construction et le mouvement entraîné d’une turbine « origami ADN », qui comporte trois pales chirales, toutes dans un minuscule cadre de 25 nanomètres, fonctionnant dans un nanopore à l’état solide. En concevant ingénieusement deux turbines chirales, les chercheurs ont désormais la possibilité de dicter le sens de rotation, dans le sens horaire ou antihoraire. Leurs découvertes ont été publiées dans Nature Nanotechnology. .
Les turbines à flux sont au cœur de nombreuses machines révolutionnaires qui ont façonné nos sociétés, des éoliennes aux avions. Même la vie elle-même dépend de manière critique des turbines pour des processus fondamentaux, tels que la FoF1-ATP synthase qui produit des carburants pour les cellules biologiques et le moteur des flagelles bactériens qui propulse les bactéries.
"Notre nanoturbine est dotée d'un rotor de 25 nanomètres de diamètre fabriqué à partir de matériau ADN avec des pales configurées dans le sens droitier ou gaucher pour contrôler le sens de rotation. Pour fonctionner, cette structure est ancrée dans un fort débit d'eau, contrôlé par un champ électrique ou différence de concentration en sel, à partir d'un nanopore, une petite ouverture, dans une fine membrane. Nous avons utilisé notre turbine pour entraîner une tige rigide jusqu'à 10 tours par seconde", explique Xin Shi, auteur principal de l'article.
L’une des découvertes les plus intrigantes de cette recherche est la nature unique de la rotation de la nano-turbine en origami à ADN. Son comportement est influencé par la concentration en ions, permettant à la même turbine de tourner dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse, en fonction de la concentration de Na + . ions dans la solution.
Cette caractéristique unique, exclusive au domaine nanométrique, résulte de l'interaction complexe entre les ions, l'eau et l'ADN.
Ces résultats, rigoureusement étayés par des simulations approfondies de dynamique moléculaire réalisées par le groupe d'Aleksei Aksimentiev de l'Université de l'Illinois et par la modélisation théorique de Ramin Golestanian du MPI Göttingen, promettent d'élargir les horizons de la nanotechnologie et offrent de nombreuses applications. Par exemple, à l'avenir, nous pourrons peut-être utiliser l'origami ADN pour fabriquer des nanomachines capables d'administrer des médicaments dans le corps humain, à des types spécifiques de cellules.
Cees Dekker, qui a supervisé la recherche, met en lumière leur méthodologie en déclarant :« Avec nos collaborateurs du laboratoire Hendrik Dietz de l'Université technique de Munich, nous avons utilisé les connaissances de nos travaux précédents sur les moteurs rotatifs à ADN pour créer désormais une turbine avec un contrôle total. sur sa conception et son fonctionnement."
La technique « ADN origami » utilise les interactions spécifiques entre paires de bases d'ADN complémentaires pour construire des nano-objets 3D dynamiques. Cette conception permet de contrôler le sens de rotation de la turbine dans nos nanopores grâce à la manipulation des pales et permet une intégration simple de la turbine à d'autres nanomachines.
Cette réalisation de recherche fait suite à l'introduction l'année dernière du nanorotor actif à ADN, un dispositif auto-configurable capable de transformer l'énergie des gradients électriques ou salins en travaux mécaniques pratiques.
En réfléchissant à ce travail, Xin Shi a déclaré :"Nous avons dévoilé les principes fondamentaux derrière la propulsion d'un rotor à l'échelle nanométrique en utilisant de l'eau et du sel dans des nanopores. La percée de cette année, motivée par une conception rationnelle, marque la prochaine phase de notre voyage."
"Les principes fondamentaux de notre article précédent, combinés aux innovations de celui-ci, préparent le terrain pour l'avenir des machines transmembranaires biomimétiques, avec le potentiel d'exploiter l'énergie des gradients de sel, une source d'énergie vitale utilisée par les moteurs biologiques."
Plus d'informations : Xin Shi et al, Une turbine à ADN alimentée par un potentiel transmembranaire à travers un nanopore, Nature Nanotechnology (2023). DOI : 10.1038/s41565-023-01527-8
Informations sur le journal : Nanotechnologie naturelle
Fourni par l'Université de technologie de Delft
