Nghiên cứu Y - Dược Thứ hai, ngày 29/1/2024

DNA origami gấp thành động cơ nhỏ

Các nhà khoa học đã tạo ra một động cơ điện có kích thước nano hoạt động được. Nhóm khoa học đã thiết kế một tuabin được thiết kế từ DNA được cung cấp năng lượng bởi dòng thủy động lực bên trong lỗ nano, một lỗ có kích thước nanomet trên màng silicon nitride trạng thái rắn.
Ảnh minh họa
Ảnh minh họa
Theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology , các nhà khoa học đã tạo ra động cơ điện có kích thước nano hoạt động đầu tiên trên thế giới . Nhóm khoa học đã thiết kế một tuabin được thiết kế từ DNA được cung cấp năng lượng bởi dòng thủy động lực bên trong lỗ nano, một lỗ có kích thước nanomet trên màng silicon nitride trạng thái rắn.

Động cơ nhỏ bé này có thể giúp thúc đẩy nghiên cứu về các ứng dụng trong tương lai như xây dựng các nhà máy phân tử cho các hóa chất hữu ích hoặc thăm dò y tế các phân tử bên trong máu để phát hiện các bệnh như ung thư.

Đồng tác giả nghiên cứu Aleksei Aksimentiev, giáo sư vật lý tại Đại học Illinois tại Urbana-Champagne, cho biết: “Các máy vĩ mô thông thường trở nên kém hiệu quả ở cấp độ nano”. “Chúng ta phải phát triển các nguyên tắc và cơ chế vật lý mới để hiện thực hóa động cơ điện ở quy mô rất nhỏ.”


Công việc thử nghiệm trên động cơ nhỏ bé được thực hiện bởi Cees Dekker thuộc Đại học Công nghệ Delft và Hendrik Dietz thuộc Đại học Kỹ thuật Munich.

Dietz là chuyên gia thế giới về DNA origami. Phòng thí nghiệm của ông đã điều khiển các phân tử DNA để tạo ra tuabin của động cơ nhỏ, bao gồm 30 vòng xoắn DNA sợi đôi được thiết kế thành một trục và ba cánh có chiều dài khoảng 72 cặp bazơ. Công việc trong phòng thí nghiệm của Decker đã chứng minh rằng tuabin thực sự có thể quay bằng cách tác dụng một điện trường. Phòng thí nghiệm của Aksimentiev đã thực hiện mô phỏng động lực học phân tử toàn nguyên tử trên một hệ thống gồm 5 triệu nguyên tử để mô tả các hiện tượng vật lý về cách thức hoạt động của động cơ.


Hệ thống này là sự thể hiện nhỏ nhất có thể mang lại những kết quả có ý nghĩa về thí nghiệm; tuy nhiên, "nó là một trong những tác phẩm lớn nhất từng được mô phỏng từ góc nhìn origami DNA," Aksimentiev nói.

Trung tâm Máy tính Nâng cao Texas (TACC) đã trao cho Aksimentiev một suất Phân bổ Nguồn lực Lãnh đạo để hỗ trợ nghiên cứu của ông về các hệ thống sinh học quy mô trung bình trên Frontera, siêu máy tính học thuật hàng đầu ở Hoa Kỳ do Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) tài trợ.

Aksimentiev nói: “Frontera đóng vai trò quan trọng trong công trình tuabin nano DNA này. Aksimentiev cho biết: “Chúng tôi đã thu được quỹ đạo mô phỏng micro giây trong hai đến ba tuần thay vì đợi một năm hoặc hơn trên các hệ thống máy tính nhỏ hơn. Các mô phỏng lớn được thực hiện trên Frontera bằng cách sử dụng khoảng một phần tư máy – hơn 2.000 nút”. "Tuy nhiên, không chỉ phần cứng mà còn là sự tương tác với nhân viên TACC. Điều cực kỳ quan trọng là tận dụng tốt nhất các nguồn lực khi chúng ta có cơ hội."

Aksimentiev cũng đã được Hệ sinh thái điều phối cơ sở hạ tầng mạng nâng cao do NSF tài trợ (ACCESS) trên Expanse của Trung tâm siêu máy tính San Diego và Anvil of Purdue University.

Aksimentiev cho biết: “Chúng tôi có tới 100 hệ thống động cơ nano khác nhau để mô phỏng. Chúng tôi phải chạy chúng trong các điều kiện khác nhau và với tốc độ nhanh chóng, điều mà siêu máy tính ACCESS hỗ trợ một cách hoàn hảo”. "Rất cám ơn NSF vì sự hỗ trợ của họ - chúng tôi sẽ không thể thực hiện nghiên cứu khoa học nếu không có những hệ thống này."


DNA như một khối xây dựng

Thành công của tuabin nano DNA đang hoạt động được xây dựng dựa trên một nghiên cứu trước đó cũng sử dụng siêu máy tính Frontera và ACCESS. Nghiên cứu cho thấy một chuỗi xoắn DNA đơn lẻ là động cơ điện nhỏ nhất mà người ta có thể chế tạo - nó có thể quay tới một tỷ vòng mỗi phút.

Theo Aksimentiev, DNA đã nổi lên như một vật liệu xây dựng ở cấp độ nano.

Ông giải thích: “Cách cặp cơ sở DNA là một công cụ lập trình rất mạnh mẽ. Chúng tôi có thể lập trình các vật thể ba chiều, hình học từ DNA bằng phần mềm Cadnano chỉ bằng cách lập trình chuỗi các chữ cái tạo nên các bậc của chuỗi xoắn kép”.

Một lý do khác để sử dụng DNA làm khối xây dựng là nó mang điện tích âm, một đặc tính thiết yếu để tạo ra động cơ điện.

Aksimentiev cho biết: “Chúng tôi muốn tái tạo một trong những cỗ máy sinh học ngoạn mục nhất – ATP synthase, được điều khiển bởi điện trường. Chúng tôi đã chọn chế tạo động cơ bằng DNA”.

Ông nói thêm: “Công trình mới này là động cơ có kích thước nano đầu tiên mà chúng tôi có thể kiểm soát tốc độ và hướng quay”. Nó được thực hiện bằng cách điều chỉnh điện trường qua màng lỗ nano ở trạng thái rắn và nồng độ muối của chất lỏng bao quanh rôto.

"Trong tương lai, chúng ta có thể tổng hợp một phân tử bằng động cơ điện cỡ nano mới hoặc chúng ta có thể sử dụng nó như một bộ phận của một nhà máy phân tử lớn hơn, nơi mọi thứ được di chuyển xung quanh. Hoặc chúng ta có thể tưởng tượng nó như một phương tiện để chuyển động mềm." lực đẩy, nơi các hệ thống tổng hợp có thể đi vào dòng máu và thăm dò từng phân tử hoặc tế bào cùng một lúc", Aksimentiev nói.

Nếu bạn nghĩ điều này nghe giống như một bộ phim khoa học viễn tưởng những năm 1960 thì bạn đã đúng. Trong bộ phim Fantastic Voyage, một nhóm người Mỹ trên tàu ngầm hạt nhân bị thu nhỏ và tiêm vào cơ thể một nhà khoa học để chữa cục máu đông và cần phải làm việc nhanh chóng trước khi quá trình thu nhỏ hết tác dụng.

Điều này nghe có vẻ xa vời nhưng Aksimentiev nói rằng ý tưởng và các thành phần của máy móc mà chúng tôi đang phát triển ngày nay có thể cho phép điều tương tự xảy ra.

Aksimentiev nói: “Chúng tôi có thể thực hiện được điều này nhờ có siêu máy tính. "Siêu máy tính ngày càng trở nên không thể thiếu khi độ phức tạp của các hệ thống mà chúng tôi xây dựng tăng lên. Chúng là kính hiển vi tính toán, ở độ phân giải cao nhất có thể nhìn thấy chuyển động của từng nguyên tử và cách kết hợp chuyển động đó với một hệ thống lớn hơn."


Nguồn  Đại học Texas ở Austin
- Thuocbietduoc.com.vn cung cấp thông tin về hơn 30.000 loại thuốc theo toa, thuốc không kê đơn. - Các thông tin về thuốc trên Thuocbietduoc.com.vn cho mục đích tham khảo, tra cứu và không dành cho tư vấn y tế, chẩn đoán hoặc điều trị. - Khi dùng thuốc cần tuyệt đối tuân theo theo hướng dẫn của Bác sĩ
- Chúng tôi không chịu trách nhiệm về bất cứ hậu quả nào xảy ra do tự ý dùng thuốc dựa theo các thông tin trên Thuocbietduoc.com.vn
Thông tin Thuốc và Biệt Dược
- Giấy phép ICP số 235/GP-BC.
© Copyright Thuocbietduoc.com.vn
- Email: contact.thuocbietduoc@gmail.com