De molmotor gezien door de elektronenmicroscoop. Linksonder (c) de motor met een lange rotorarm (afb: tÜM)

Er wordt heel wat afgefröbeld met DNA. Dat wordt DNA-origami genoemd naar de/het Japanse papierknipkunst(je). DNA blijkt heel dankbaar knutselmateriaal te zijn. Nu hebben onderzoekers van DNA een moleculaire motor gemaakt die aangedreven wordt door de Brownse beweging en die energie opslaat door een DNA-veer op te winden. Dat soort machientjes zou op een dag kunnen gebruikt om dingen in ons lichaam ‘recht te zetten’ (om maar wat te noemen).
“Het is niet de eerste DNA-nanomotor, maar wel de eerste die aantoonbaar mechanische arbeid kan verrichten”, zegt biofysicus Hendrik Dietz van de technische universiteit München. Levende cellen zitten vol met dit soort molmotors, ook met draaiende onderdelen. Die voeren diverse taken uit van het bewegen van de zweepstaartjes (flagellen) van bacteriën tot het hulp bieden bij het vormen van ATP, de energievoorzienende moleculen in cellen. Die biomotortjes gebruiken vaak ratelachtige constructies waardoor draaiing in een richting mogelijk is en niet in tegenovergestelde richting.
Dit soort machientjes worden in een cel meestal bewogen door de Brownse beweging, maar er zijn ook molmotors die over ‘spoorverbindingen’ (fibrillen) in cellen lopen (celskelet).

Dietz en zijn collega’s wilden een molmotor bouwen van DNA die net zo bewoog als de biomotors in cellen. Ze fröbelden met lussen van eenstrengig DNA van een bacteriofaag (een bacterie’etend’ virus) en met stukjes synthetisch DNA. Die stukjes waren zo geformeerd dat ze pasten op bepaalde delen van het faag-DNA. Die korte stukjes verbonden zich met de lange faagsequenties en assembleerden zich zo tot de gewenste vorm. Sinds DNA-origami in 2006 tot ‘leven’ kwam is deze techniek gebruikt om talloze constructies van DNA te maken.

De opzet van de molmotor (afb: Dietz/tÜM)

De molmotor bestaat uit een driehoekig voet (van DNA) met een ‘as’ in het midden. Die werd aan een glasplaatje vastgemaakt, waarna lange armen (van DNA) aan werden toegevoegd die aan het platform werden vastgemaakt op zo’n manier dat ze om die as kunnen draaien. Om er een ratel van te maken voorzagen de onderzoekers het platform van hobbels die de rotatie bemoeilijkt. De stoten die de molmotor door de Brownse beweging krijgt zorgen voor draaiing van een halve slag.

Stroom

Als er verder niets gedaan wordt dan draait de boel willekeurig de ene of andere kant op. De onderzoekers gebruikten vervolgens elektrodes waardoor stroom in wisselende richting doorheen werd gestuurd. Die wisselende spanning zorgden voor een veranderende energieomgeving van de DNA-armen, waardoor de draaiing in de ene richting makkelijker wordt dan in de tegenovergestelde. Zo ontstond de molmotor waarvan de armen een kant op draaien (nou ja, met hulp van de Brownse beweging).
Onder de microscoop zagen de onderzoekers dat inderdaad een bepaalde richting de voorkeur kreeg, ook al waren de botsingen willekeurig. De richting daarvan hangt af van de oriëntering van de driehoekige voet ten opzichte van de elektroden.
Dat is natuurlijk allemaal heel aardig knutselwerk, maar dient dat ook ergens voor? Om aan te tonen dat de molmotor ook potentieel nuttige dingen zou kunnen doen bevestigden de onderzoekers nog een DNA-streng aan hun rotor en lieten die opwinden zoals de spiraalveer die wordt gebruikt om de tandwieltjes in een mechanisch horloge te laten draaien. Zo’n mechanisme zou nanomachines kunnen helpen om energie op te slaan of om andere mechanische componenten voort te trekken, zegt Dietz.

“Het is een opmerkelijke prestatie van het team. In de eerste plaats om een ​​systeem te ontwerpen dat in zo’n complexe en functionele structuur kan worden gevormd met DNA-origami en ook om de dynamiek ervan zo grondig te karakteriseren,” zegt David Leigh, scheikundige aan de Universiteit van Manchester, VK. Met een heel andere benadering demonstreerden Leigh en collega’s dit jaar een roterende motor op atoomschaal, die rond een enkele moleculaire binding draait.

Bron: Nature