Premier nanomoteur électrique fabriqué à partir d'ADN
Des moteurs rotatifs synthétiques à l'échelle nanométrique effectuent un travail mécanique
Une équipe de chercheurs dirigée par l'Université technique de Munich (TUM) a réussi pour la première fois à produire un moteur électrique moléculaire en utilisant la méthode de l'origami ADN. La minuscule machine faite de matériel génétique s'auto-assemble et convertit l'énergie électrique en énergie cinétique. Les nouveaux nanomoteurs peuvent être allumés et éteints, et les chercheurs peuvent contrôler la vitesse et le sens de rotation.
Représentation schématique du nanomoteur.
Anna-Katharina Pumm / TUM
Que ce soit dans nos voitures, nos perceuses ou les moulins à café automatiques, les moteurs nous aident dans notre vie quotidienne à accomplir une grande variété de tâches. À une échelle beaucoup plus petite, les moteurs moléculaires naturels accomplissent des tâches vitales dans notre corps. Par exemple, une protéine motrice appelée ATP synthase produit la molécule d'adénosine triphosphate (ATP), que notre corps utilise pour le stockage et le transfert d'énergie à court terme.
Bien que les moteurs moléculaires naturels soient essentiels, il a été assez difficile de recréer des moteurs à cette échelle avec des propriétés mécaniques à peu près similaires à celles des moteurs moléculaires naturels comme l'ATP synthase. Une équipe de chercheurs a maintenant construit un moteur moléculaire rotatif à l'échelle nanométrique en utilisant la méthode de l'origami ADN. L'équipe était dirigée par Hendrik Dietz, professeur de nanotechnologie biomoléculaire à la TUM, Friedrich Simmel, professeur de physique des systèmes biologiques synthétiques à la TUM, et Ramin Golestanian, directeur du Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization.
Un nanomoteur auto-assemblé
Le nouveau moteur moléculaire est constitué d'ADN - le matériel génétique. Les chercheurs ont utilisé la méthode de l'origami ADN pour assembler le moteur à partir de molécules d'ADN. Cette méthode a été inventée par Paul Rothemund en 2006 et a ensuite été perfectionnée par l'équipe de recherche de la TUM. Plusieurs longs brins simples d'ADN servent de base à laquelle d'autres brins d'ADN s'attachent comme contreparties. Les séquences d'ADN sont sélectionnées de manière à ce que les brins et les plis attachés créent les structures souhaitées.
"Nous faisons progresser cette méthode de fabrication depuis de nombreuses années et nous pouvons maintenant développer des objets très précis et complexes, comme des interrupteurs moléculaires ou des corps creux capables de piéger des virus. Si vous mettez les brins d'ADN avec les bonnes séquences en solution, les objets s'auto-assemblent", explique M. Dietz.
Le nouveau nanomoteur en matériau d'ADN se compose de trois éléments : la base, la plate-forme et le bras du rotor. La base, d'une hauteur d'environ 40 nanomètres, est fixée à une plaque de verre en solution par des liaisons chimiques sur une plaque de verre. Un bras de rotor d'une longueur allant jusqu'à 500 nanomètres est monté sur la base afin de pouvoir tourner. Un autre composant est crucial pour que le moteur fonctionne comme prévu : une plateforme qui se trouve entre la base et le bras du rotor. Cette plate-forme contient des obstacles qui influencent le mouvement du bras du rotor. Pour passer les obstacles et tourner, le bras du rotor doit se plier un peu vers le haut, comme un cliquet.
Un mouvement ciblé grâce à la tension alternative
Sans apport d'énergie, les bras du rotor des moteurs se déplacent de manière aléatoire dans un sens ou dans l'autre, entraînés par des collisions aléatoires avec des molécules du solvant environnant. En revanche, dès qu'une tension alternative est appliquée via deux électrodes, les bras du rotor tournent de manière ciblée et continue dans une direction.
"Le nouveau moteur possède des capacités mécaniques sans précédent : Il peut atteindre des couples de l'ordre de 10 piconewton fois nanomètre. Et il peut générer plus d'énergie par seconde que ce qui est libéré lorsque deux molécules d'ATP sont divisées", explique Ramin Golestanian, qui a dirigé l'analyse théorique du mécanisme du moteur.
Le mouvement ciblé des moteurs résulte d'une superposition des forces électriques fluctuantes avec les forces subies par le bras du rotor en raison des obstacles du cliquet. Le mécanisme sous-jacent réalise un "cliquet brownien clignotant". Les chercheurs peuvent contrôler la vitesse et la direction de la rotation via la direction du champ électrique ainsi que via la fréquence et l'amplitude de la tension alternative.
"Le nouveau moteur pourrait également avoir des applications techniques à l'avenir. Si nous poursuivons le développement du moteur, nous pourrions éventuellement l'utiliser pour déclencher des réactions chimiques définies par l'utilisateur, en nous inspirant de la façon dont l'ATP synthase produit de l'ATP grâce à la rotation. Il serait alors possible, par exemple, de recouvrir densément des surfaces avec de tels moteurs. Il suffirait alors d'ajouter des produits de départ, d'appliquer une petite tension alternative et les moteurs produiraient le composé chimique souhaité", explique M. Dietz.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Autres actualités du département science
Recevez les dernières actualités du secteur des sciences de la vie
Ne manquez plus aucune actualité : notre newsletter consacrée aux biotechnologies, au secteur pharmaceutique et aux sciences de la vie vous informe tous les mardis et jeudis. Les dernières nouvelles du secteur, les produits phares et les innovations - de manière compacte et compréhensible dans votre boîte de réception. Recherché par nos soins, pour que vous n'ayez pas à le faire.
