05/08/2022
Door Ad Spijkers
Geïnspireerd door de iconische Nederlandse windmolens en door biologische motoreiwitten hebben onderzoekers aan de TU Delft een zichzelf configurerende, door stroming aangedreven turbine uit DNA gemaakt, die energie van een elektrische of zoutgradiënt omzet in bruikbaar mechanisch vermogen. De resultaten bieden perspectief voor de ontwikkeling van actieve robotica op nanoschaal.
Draaiende turbines zijn al millennia lang de krachtpatsers van menselijke samenlevingen. Van de windmolen en het waterrad in Nederland tot de meest geavanceerde off-shore windturbines die de toekomst van duurzame energie aandrijven. Draaiende motoren, aangedreven door stroming, komen ook veel voor in biologische cellen.
"Een voorbeeld is FoF1-ATP synthase, die de brandstof produceert die cellen nodig hebben om te werken. Tot nu toe bleef de kunstmatige constructie op nanoschaal echter ongrijpbaar", aldus dr. Xin Shi, postdoc in het laboratorium van prof. Cees Dekker bij de afdeling Bionanoscience van de TU Delft.
De in Delft ontwikkelde door stroming aangedreven nanoturbine is gemaakt van DNA-materiaal. De structuur wordt geplaatst op een minuscule opening in een dun membraan. De DNA-bundel van slechts 7 nm dikte organiseert zichzelf vervolgens door middel van een elektrisch veld tot een soort van turbine. Deze rotor draait vervolgens met meer dan 10 s-1.
DNA origami
De wetenschappers proberen al zeven jaar roterende nanomotoren kunstmatig op te bouwen. Ze gebruiken een techniek die DNA origami heet, in samenwerking met de Technische Universität München. Deze techniek maakt gebruik van de interacties tussen complementaire DNA basenparen om 2D- en 3D-nano-objecten te bouwen.
De nanomotoren halen hun energie uit een water- en ionenstroom die tot stand komt door een elektrische spanning, of nog eenvoudiger: door verschillende zoutconcentraties aan de twee zijden van het membraan. Dat laatste is een van de meest voorkomende energiebronnen in de biologie, die verschillende kritieke processen aandrijft, zoals de cellulaire brandstofproductie en de voortbeweging van cellen.
De prestatie is een mijlpaal, omdat het de eerste keer is dat een door stroming aangedreven motor op nanoschaal is ontwikkeld. Toen de onderzoekers de rotaties voor het eerst zagen, stonden ze voor een raadsel: hoe konden zulke eenvoudige DNA-staafjes zulke mooie, constante rotaties vertonen?
Slim ontwerp
In overleg het Max Planck Institut für Dynamik und Selbstorganization in Göttingen (50 km noordoostelijk van Kassel) werd de puzzel opgelost. De Duitse wetenschappers modelleerden het systeem en onthulden het boeiende zelforganisatieproces. De DNA-bundels vervormen tot spiraalvormige motoren, die zich vervolgens verbinden aan de vloeistofstroming door het nanogaatje.
Maar het belang van het werk houdt niet op bij de eenvoudige motor zelf. De techniek en het fysische mechanisme erachter geven een hele nieuwe richting aan het bouwen van synthetische nanomotoren. Door stroming aangedreven nanomotoren vormen een verrassend onontgonnen gebied voor wetenschappers en ingenieurs. Ze weten nog maar weinig en wat ze hebben bereikt over het bouwen van dergelijke nanomotoren. Dit gezien de eeuwenoude kennis over het bouwen van hun tegenhangers op macroschaal en de cruciale rollen die deze vervullen in het leven.
In een volgende stap hebben de onderzoekers de opgedane kennis gebruikt om het volgende belangrijke resultaat te bereiken: de eerste rationeel ontworpen turbine op nanoschaal. De Delftse onderzoekers zijn begonnen met een simpel windmolentje, maar kunnen nu al Nederlandse windmolens nabouwen van slechts 25 nm, de grootte van een enkel eiwit in een lichaam. En ze hebben aangetoond dat die nanomotortjes arbeid kunnen verrichten. Daarbij kon ook de draairichting worden ingesteld door de ontworpen spiraalrichting.
Stoommachine
Behalve het beter begrijpen en namaken van motoreiwitten zoals FoF1-ATP synthase, bieden de resultaten nieuwe perspectieven voor het ontwikkelen van actieve robotica op nanoschaal. Shi: "Wat we hier hebben gedemonstreerd is een motor op nanoschaal die energie over kan brengen en arbeid verrichten.
Je zou een analogie kunnen trekken met de uitvinding van de stoommachine in de 18e eeuw. Wie had toen kunnen voorspellen hoe die onze samenlevingen fundamenteel heeft veranderd? We zitten nu in een soortgelijke fase : de mogelijkheden zijn eindeloos, maar er is nog veel werk te doen."
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: TU Delft, Cees Dekker Lab / SciXel