Une équipe collaborative de chercheurs dirigée par le prof. Cees Dekker de la TU Delft, en partenariat avec des collègues internationaux, présente une avancée 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 pionnière est la conception, la building 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. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans Nature Nanotechnology le 26 octobre.
Nanoturbines : au cœur des avancées
Les turbines à flux sont au cœur de nombreuses equipment révolutionnaires qui ont façonné nos sociétés, des éoliennes aux avions. Même la vie elle-même dépend de manière cruciale des turbines pour des processus fondamentaux, tels que la synthase FoF1-ATP 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 construction 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 fantastic membrane. Nous avons utilisé notre turbine pour entraîner une tige rigide jusqu’à 20 excursions par seconde », explique Shi.
Une révélation fascinante
L’une des découvertes les as well as intrigantes de cette recherche est la nature special de la rotation de la nanoturbine de l’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 focus en ions Na+ dans la remedy. Cette caractéristique special, distinctive au domaine nanométrique, résulte de l’interaction complexe entre les ions, l’eau et l’ADN. Ces découvertes, rigoureusement étayées 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 au MPI Göttingen, promettent d’élargir les horizons de la nanotechnologie et offrent de nombreuses apps. 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.
Origami ADN
Cees Dekker, qui a supervisé la recherche, fulfilled en lumière leur méthodologie : « En collaboration avec nos collaborateurs du laboratoire Hendrik Dietz de l’Université technique de Munich, nous avons utilisé les enseignements de nos travaux antérieurs sur les moteurs rotatifs à ADN pour créer désormais une turbine avec un contrôle total sur sa conception et son fonctionnement. La technique « DNA origami » utilise les interactions spécifiques entre des 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 basic de la turbine à d’autres nanomachines.
Une nouvelle étape vers des nanomachines transmembranaires actives
Cette réalisation de recherche fait suite à l’introduction l’année dernière du nanorotor actif à ADN, un dispositif car-configurable able de transformer l’énergie des gradients électriques ou salins en travaux mécaniques pratiques.
En réfléchissant sur ce parcours remarquable, Xin Shi souligne l’importance de leurs progrès : « 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 stage de notre Les principes fondamentaux de notre report précédent, combinés aux improvements de celui-ci, préparent le terrain pour l’avenir des devices transmembranaires biomimétiques, avec le potentiel d’exploiter l’énergie des gradients de sel, une supply d’énergie vitale utilisée par les moteurs biologiques.
