Turbines vind je op macroschaal – windmolens – en nanoschaal – ATP-synthase – maar het zelf in elkaar zetten van een turbine op nanoschaal is tot nu toe een lastige opgave. Een internationaal team, waaronder de groep van Cees Dekker van de TU Delft, is er nu in geslaagd een turbine te maken van DNA-origami die je ook echt kunt aandrijven met onder andere elektrische energie.

Eerder schreven we al over DNA-origami, waarbij je een groot stuk circulair DNA neemt dat je met honderden kleine DNA-nietjes kunt vouwen. Omdat DNA complementair is, kun je de nietjes of staple strands zo coderen dat je heel precieze twee- en driedimensionale structuren krijgt. Op die manier bouwden de onderzoekers een centrale as die ze voorzagen van drie chirale rotorbladen.

Zo’n as met rotoren is best leuk, maar houd je die los in de ruimte, dan valt er weinig aan te drijven, dus plaatsten ze hun DNA-structuur via diffusioforese in een nanoporie in een siliciumnitridemembraan (SiN_x). Met een elektrische stroom of een concentratieverschil in ionen kan de turbine een snelheid van tien rotaties per seconde halen. Daarmee is de origami-turbine zowel qua grootte (±25 nm) als qua snelheid en torsie heel vergelijkbaar met de rotor van ATP-synthase.

Bij zowel elektrische stimulering als het verschil in ionconcentratie roteerde de turbine zoals je zou verwachten afhankelijk van de chiraliteit. Maar als je de concentratie Na⁺-ionen flink verhoogt tot 3 M (in plaats van 50 mM zoals in hun eerdere proeven), blijkt dat de draairichting van de turbine verandert bij de elektrische experimenten. Dus draaide de turbine bij de ene chiraliteit linksom, dan draait die bij een hogere concentratie de andere kant op als je er een stroom op zet. Die omslag bleek tussen de 0,5 en 1 M NaCl te liggen. Ze bevestigden deze observaties met molecular dynamics simulaties.

De onderzoekers verwachten dat dit een grote boost zal geven aan nanomachines die ook in fysiologische omstandigheden en op biocompatibele wijze kunnen functioneren. Wie weet worden de moleculaire auto’s van Ben Feringa binnenkort wel omgetoverd tot turbine-aangedreven nanobootjes of -vliegtuigen.

Shi, X. et al. (2023) Nat. Nanotechnol., DOI: 10.1038/s41565-023-01527-8