אוריגמי DNA מקופל לתוך מנוע זעיר

פרסומת
X-ray_Promo1


מדענים יצרו את המנוע האלקטרוני הראשון בעולם הפועל בקנה מידה ננו, על פי מחקר שפורסם בכתב העת טבע ננוטכנולוגיה. צוות המדע תכנן טורבינה שהונדסה מ-DNA המופעלת על ידי זרימה הידרודינמית בתוך ננופורה, חור בגודל ננומטר בממברנה של ניטריד סיליקון מוצק.

פרסומת

המנוע הזעיר יכול לעזור לעורר מחקר על יישומים עתידיים כמו בניית מפעלים מולקולריים לכימיקלים שימושיים או בדיקות רפואיות של מולקולות בתוך זרם הדם כדי לזהות מחלות כמו סרטן.

"מכונות מקרוסקופיות נפוצות הופכות לבלתי יעילות בקנה מידה ננו", אמר פרופסור משותף למחקר אלכסיי אקסימנטיב, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפניה. "עלינו לפתח עקרונות ומנגנונים פיזיקליים חדשים כדי לממש מנועי אלקטרו בקנה מידה מאוד מאוד קטן".

העבודה הניסיונית על המנוע הזעיר נערכה על ידי Cees Dekker מאוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה והנדריק Dietz מהאוניברסיטה הטכנית של מינכן.

דיץ הוא מומחה עולמי לאוריגמי DNA. המעבדה שלו תמרנה מולקולות DNA כדי ליצור את הטורבינה של המנוע הזעיר, שהורכבה מ-30 סלילי DNA דו-גדיליים שהונדסו לציר ושלושה להבים באורך של כ-72 זוגות בסיסים. עבודת המעבדה של דקר הוכיחה שהטורבינה אכן יכולה להסתובב על ידי הפעלת שדה חשמלי. המעבדה של אקסימנטיב ביצעה הדמיות דינמיקה מולקולרית של כל אטומים על מערכת של חמישה מיליון אטומים כדי לאפיין את התופעות הפיזיקליות של אופן פעולת המנוע.

המערכת הייתה הייצוג הקטן ביותר שיכול היה להניב תוצאות משמעותיות לגבי הניסוי; עם זאת, "זה היה אחד הגדולים שדומים אי פעם מנקודת המבט של אוריגמי ה-DNA", אמר אקסימנטיב.

משימה בלתי אפשרית למשימה אפשרית

מרכז המחשוב המתקדם של טקסס (TACC) העניק ל-Aksimentiev הקצאת משאבי מנהיגות כדי לסייע במחקרו על מערכות ביולוגיות בקנה מידה בקנה מידה בקנה מידה של מערכות ביולוגיות בקנה מידה של קרן המדע הלאומית (NSF) במימון Frontera, מחשב העל האקדמי המוביל בארה"ב.

"פרונטרה הייתה גורם מרכזי בעבודת ננו-טורבינת ה-DNA הזו", אמר אקסימנטיב. "השגנו מסלולי סימולציה של מיקרו-שנייה תוך שבועיים-שלושה במקום לחכות שנה או יותר במערכות מחשוב קטנות יותר. ההדמיות הגדולות נעשו ב-Frontera תוך שימוש בכרבע מהמכונה – למעלה מ-2,000 צמתים", אמר אקסימנטיב. "עם זאת, זה לא רק החומרה, אלא גם האינטראקציה עם צוות TACC. חשוב ביותר לעשות את השימוש הטוב ביותר במשאבים ברגע שיש לנו את ההזדמנות".

Aksimentiev זכה גם בהקצאות מחשבי-על עבור עבודה זו על ידי מערכת האקולוגית המתקדמת לתיאום תשתיות סייבר במימון NSF: שירותים ותמיכה (ACCESS) ברחבה של מרכז מחשבי העל בסן דייגו וסדן מאוניברסיטת פרדו.

"היו לנו עד 100 מערכות ננו-מוטוריות שונות לדמות. היינו צריכים להפעיל אותן בתנאים שונים ובצורה מהירה, מה שמחשבי העל של ACCESS סייעו להם בצורה מושלמת", אמר אקסימנטיב. "תודה רבה ל-NSF על תמיכתם – לא נוכל לעשות את המדע שאנו עושים ללא המערכות הללו."

DNA כאבן בניין

ההצלחה עם ננו-טורבינת ה-DNA הפועלת מבוססת על מחקר קודם שהשתמש גם במחשבי-על של Frontera ו-ACCESS. המחקר הראה שסליל DNA בודד הוא מנוע האלקטרו הקטן ביותר שאפשר לבנות – הוא יכול להסתובב עד מיליארד סיבובים לדקה.

DNA הופיע כחומר בניין בקנה מידה ננו, על פי אקסימנטיב.

"הדרך שבה זוג בסיסים של DNA הוא כלי תכנות חזק מאוד. אנחנו יכולים לתכנת עצמים גיאומטריים ותלת מימדיים מ-DNA באמצעות תוכנת Cadnano רק על ידי תכנות רצף האותיות המרכיבות את השלבים של הסליל הכפול", הסביר.

סיבה נוספת לשימוש ב-DNA כאבן הבניין היא שהוא נושא מטען שלילי, מאפיין חיוני לייצור המנוע האלקטרו.

"רצינו לשחזר את אחת המכונות הביולוגיות המרהיבות ביותר – סינתאז ATP, המונע על ידי שדה חשמלי. בחרנו לעשות את המנוע שלנו עם DNA", אמר אקסימנטיב.

"העבודה החדשה הזו היא המנוע הראשון בקנה מידה ננומטרי שבו אנו יכולים לשלוט על מהירות הסיבוב והכיוון", הוסיף. זה נעשה על ידי התאמת השדה החשמלי על פני קרום ננופורי המצב המוצק וריכוזי המלחים של הנוזל המקיף את הרוטור.

"בעתיד, אולי נוכל לסנתז מולקולה באמצעות מנוע האלקטרו-מנוע החדש בקנה מידה ננו, או שנוכל להשתמש בו כמרכיב של מפעל מולקולרי גדול יותר, שבו דברים מועברים. או שנוכל לדמיין את זה כאמצעי לרכים הנעה, שבה מערכות סינתטיות יכולות להיכנס לזרם דם ולבחון מולקולות או תאים אחד בכל פעם", אמר אקסימנטיב.

אם אתה חושב שזה נשמע כמו משהו מתוך סרט מדע בדיוני משנות ה-60, אתה צודק. בסרט המסע הפנטסטי, צוות אמריקאים בצוללת גרעינית מכווץ ומוזרק לגופו של מדען כדי לתקן קריש דם וצריך לעבוד במהירות לפני שהמזעור ייגמר.

עד כמה שזה נשמע מופרך, אקסימנטיב אומר שהקונספט והמרכיבים של המכונות שאנחנו מפתחים היום יכולים לאפשר לדבר כזה לקרות.

"הצלחנו להשיג זאת בגלל מחשבי-על", אמר אקסימנטיב. "מחשבי-על הופכים יותר ויותר חיוניים ככל שהמורכבות של המערכות שאנו בונים עולה. הם המיקרוסקופים החישוביים, שברזולוציות אולטימטיביות יכולים לראות את התנועה של אטומים בודדים וכיצד זה מחובר למערכת גדולה יותר".

המימון הגיע ממענק מתקדם של ERC מס. 883684 ותוכניות NanoFront ו-BaSyC; מענק ERC Consolidator ל-HD (GA מס' 724261), ל-Deutsche Forschungsgemeinschaft באמצעות תוכנית Gottfried-Wilhelm-Leibniz (ל-HD) ומזהה פרויקט SFB863 111166240 TPA9; מענק הקרן הלאומית למדע DMR-1827346; בית הספר Max Planck Matter to Life וקונסורציום MaxSynBio. זמן מחשב העל סופק באמצעות TACC Leadership Resource Allocation MCB20012 ב-Frontera ודרך הקצאת ACCESS MCA05S028.



קישור לכתבת המקור – 2024-01-19 19:27:26

Facebook
Twitter
LinkedIn
Telegram
WhatsApp
Email
פרסומת
MAGNEZIX מגנזיקס

עוד מתחומי האתר