研究人员已经开发出一种DNA折纸纳米涡轮机，它具有独特的能力，可以根据离子浓度改变其旋转。这一进展为未来在细胞水平上的药物输送提供了潜力，并强调了利用盐梯度能量的前景。来源:Cees Dekker实验室/ SciXel

研究人员引入了pio纳米马达领域的重大突破——DNA折纸纳米涡轮。这种纳米级装置可能代表了一种范式的转变，利用离子梯度或通过固态纳米孔的电势产生的能量来驱动涡轮机进行机械旋转。这个pio的核心新发现是“DNA折纸”涡轮的设计、构造和驱动运动，它具有三个手性叶片，都在一个极小的25纳米范围内名称，在固态纳米孔中操作。通过巧妙地设计两个手性涡轮机，研究人员现在有能力决定旋转方向，顺时针或逆时针。

纳米涡轮机:技术进步的核心

从风车到飞机，流驱动涡轮机是许多革命性机器的核心，这些机器塑造了我们的社会。甚至生命本身的基本过程也严重依赖涡轮机，比如为生物细胞生产燃料的FoF1-ATP合成酶，以及推动细菌前进的细菌鞭毛马达。

“我们的纳米涡轮机有一个直径25纳米的转子，由DNA材料制成，叶片配置为右旋或左旋，以控制旋转方向。为了操作，这个结构被停靠在强水流中，由电场或盐浓度差控制，水流从薄膜上的纳米孔(一个微小的开口)流出。我们使用涡轮机驱动刚性杆达到每秒10转的速度。”

DNA折纸纳米涡轮机的旋转受离子浓度的影响，为先进的药物输送和利用盐梯度的能量铺平了道路。来源:Cees Dekker实验室/ SciXel

DNA折纸纳米涡轮机的独特旋转

这项研究最有趣的发现之一是DNA折纸纳米涡轮机旋转的独特性质。它的行为受到离子浓度的影响，允许同一涡轮顺时针或逆时针旋转，这取决于溶液中Na+离子的浓度。这种独特的特征是纳米级领域所独有的，是离子、水和DNA之间复杂相互作用的结果。

这些发现得到了伊利诺伊大学Aleksei Aksimentiev小组的广泛分子动力学模拟和MPI G?ttingen的Ramin Golestanian的理论建模的严格支持，有望扩大纳米技术的视野，并提供许多应用。例如，在未来，我们可能能够使用dna折纸来制造纳米机器，这些纳米机器可以将药物输送到人体内，输送到特定类型的细胞。

DNA折纸技术

监督这项研究的Cees Dekker阐明了他们的方法:“我们与慕尼黑工业大学Hendrik Dietz实验室的合作者一起，利用我们之前对DNA旋转马达的研究成果，现在创造了一个完全控制其设计和运行的涡轮机。”“DNA折纸”技术利用互补DNA碱基对之间的特定相互作用来构建动态的3D纳米物体。这种设计允许涡轮机在我们的纳米孔中的旋转方向通过叶片的手性来控制，并允许涡轮机直接集成到其他纳米机器上。

主动跨膜纳米机器的发展

这项研究成果是继去年推出的DNA主动纳米马达之后取得的，这是一种能够将电能或盐梯度转化为实际机械功的自配置装置。阅读更多:由DNA构建的纳米级转子。

回顾这段非凡的旅程，施欣强调了他们进展的重要性:“我们已经揭示了在纳米孔中使用水和盐来推动纳米级转子的基本原理。在理性设计的推动下，今年的突破标志着我们的旅程进入了下一个阶段。我们上一篇论文的基本原理，结合这篇论文的创新，为仿生跨膜机器的未来奠定了基础，有可能利用盐梯度的能量，这是生物马达使用的重要能源。”

参考文献:“一种由纳米孔跨膜电位驱动的DNA涡轮”，作者:Shi Xin, Anna-Katharina Pumm, Christopher Maffeo, Fabian Kohler, Elija Feigl, Wenxuan Zhao, Daniel Verschueren, Ramin Golestanian, Aleksei Aksimentiev, Hendrik Dietz和Cees Dekker, 2023年10月26日，Nature Nanotechnology。DOI: 10.1038 / s41565 - 023 - 01527 - 8