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Pesquisadores desenvolvem primeiro nanomotor elétrico feito de DNA

Fonte

TUM | Universidade Técnica de Munique

Data

segunda-feira. 25 julho 2022 20:00

Na vida diária, os motores ajudam a realizar uma ampla variedade de tarefas. Em uma escala muito menor, os motores moleculares naturais realizam tarefas vitais no corpo humano. Por exemplo, uma proteína motora conhecida como ATP sintase produz a molécula trifosfato de adenosina (ATP), que nosso corpo usa para armazenamento e transferência de energia em curto prazo.

Embora os motores moleculares naturais sejam essenciais, tem sido bastante difícil recriar motores nessa escala com propriedades mecânicas mais ou menos semelhantes às de motores moleculares naturais como a ATP sintase. Mas, recentemente, uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade Técnica de Munique (TUM), na Alemanha, conseguiu, pela primeira vez, produzir um motor elétrico molecular usando o método de origami de DNA. A pequena máquina feita de material genético se automonta e converte energia elétrica em energia cinética. Os novos nanomotores podem ser ligados e desligados, e os pesquisadores podem controlar a velocidade de rotação e o sentido de rotação. A equipe foi liderada pelo Dr. Hendrik Dietz, professor de Nanotecnologia Biomolecular na TUM, pelo Dr. Friedrich Simmel, professor de Física de Sistemas Biológicos Sintéticos na TUM, e pelo Dr. Ramin Golestanian, diretor do Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization.

Um nanomotor automontável

O novo motor molecular foi constituído a partir do método de origami de DNA . Este método foi inventado pelo Dr. Paul Rothemund em 2006 e mais tarde foi desenvolvido pela equipe de pesquisa da TUM. Várias longas fitas simples de DNA servem como base à qual fitas adicionais de DNA se ligam como contrapartes. As sequências de DNA são selecionadas de tal forma que as fitas e dobras anexadas criam as estruturas desejadas.

“Temos avançado neste método de fabricação por muitos anos e agora podemos desenvolver objetos muito precisos e complexos, como interruptores moleculares ou corpos ocos que podem capturar vírus. Se você colocar as fitas de DNA com as sequências corretas em solução, os objetos se automontam”, disse o Dr. Hendrik Dietz.

O novo nanomotor feito de material de DNA é composto por três componentes: base, plataforma e braço do rotor. A base tem aproximadamente 40 nanômetros de altura e é fixada a uma placa de vidro em solução por meio de ligações químicas em uma placa de vidro. Um braço do rotor de até 500 nanômetros de comprimento é montado na base para que possa girar. Ainda, outro componente é fundamental para que o motor funcione como pretendido: uma plataforma que fica entre a base e o braço do rotor. Esta plataforma contém obstáculos que influenciam o movimento do braço do rotor. Para ultrapassar os obstáculos e girar, o braço do rotor deve dobrar um pouco para cima, semelhante a uma ‘catraca’.

Movimento direcionado através da tensão AC

Sem fornecimento de energia, os braços do rotor  se movem aleatoriamente em uma direção ou outra, acionados por colisões aleatórias com moléculas do solvente circundante. No entanto, assim que tensão AC é aplicada através de dois eletrodos, os braços do rotor giram de maneira direcionada e contínua em uma direção.

“O novo motor tem capacidades mecânicas sem precedentes: pode atingir torques na faixa de 10 pN*nm (piconewtons vezes nanômetros). E pode gerar mais energia por segundo do que é liberada quando duas moléculas de ATP são divididas”, explicou o Dr. Ramin Golestanian, que liderou a análise teórica do mecanismo do motor.

O movimento direcionado dos motores resulta de uma superposição das forças elétricas flutuantes com as forças experimentadas pelo braço do rotor devido aos obstáculos da ‘catraca’. O mecanismo subjacente realiza a chamada ‘catraca browniana intermitente’. Os pesquisadores podem controlar a velocidade e a direção da rotação através da direção do campo elétrico e também através da frequência e amplitude da tensão AC.

“O novo motor também poderá ter aplicações técnicas no futuro. Se desenvolvermos ainda mais o motor, poderíamos usá-lo no futuro para conduzir reações químicas definidas pelo usuário, inspiradas em como a ATP sintase faz o ATP acionado por rotação. Então, por exemplo, as superfícies poderiam ser densamente revestidas com esses motores e então você adicionaria materiais de partida, aplicaria um pouco de tensão AC e os motores produziriam o composto químico desejado”, concluiu o Dr. Hendrik Dietz.

Os resultados foram publicados na revista científica Nature.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade Técnica de Munique (em inglês).

Fonte: Caroline Lerch, Corporate Communications Center/TUM.

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