Rotoren im Nanomaßstab Neue Möglichkeiten beim Bau von Nanoturbinen

Rotationsmotoren sind seit Jahrtausenden die Kraftwerke menschlicher Gesellschaften: von den Windmühlen und Wasserrädern in den Niederlanden und auf der ganzen Welt bis hin zu den modernsten Offshore-Windturbinen, die unsere grüne Energiezukunft antreiben. „Diese Rotationsmotoren, die durch eine Strömung angetrieben werden, sind auch in biologischen Zellen von großer Bedeutung. Ein Beispiel dafür ist die F_oF₁-ATP-Synthase, die den Treibstoff produziert, den die Zellen für ihren Betrieb benötigen. Aber die synthetische Konstruktion auf der Nanoskala ist bisher schwer zu fassen“, sagt Dr. Xin Shi, Postdoc im Labor von Prof. Cees Dekker in der Fakultät für Physik.

„Unser strömungsgetriebener Motor ist aus DNA-Material hergestellt. Diese Struktur wird an eine Nanopore, eine winzige Öffnung, in einer dünnen Membran angedockt. Das nur 7 nm dicke DNA-Bündel organisiert sich unter einem elektrischen Feld selbst zu einer rotorähnlichen Konfiguration, die anschließend in eine anhaltende Drehbewegung von mehr als zehn Umdrehungen pro Sekunde versetzt wird“, sagt Shi.

DNA-Origami

„Bereits seit sieben Jahren versuchen wir, solche rotierenden Nanomotoren synthetisch von Grund auf zu bauen. In Zusammenarbeit mit dem Labor von Hendrik Dietz von der Technischen Universität München verwenden wir eine Technik namens DNA-Origami“, erklärt Cees Dekker, der die Forschung leitete.

Diese Technik nutzt die spezifischen Wechselwirkungen zwischen komplementären DNA-Basenpaaren, um 2D- und 3D-Nano-Objekte zu bauen. Die Rotoren nutzen die Energie eines Wasser- und Ionenflusses, der durch eine angelegte Spannung oder - noch einfacher - durch unterschiedliche Salzkonzentrationen auf den beiden Seiten der Membran erzeugt wird. Letzteres ist eine der häufigsten Energiequellen in der Biologie, die verschiedene kritische Prozesse wie die zelluläre Kraftstoffsynthese und den Zellantrieb antreibt.

Erste experimentelle Realisierung der Rotoren

Diese Errungenschaft ist ein Meilenstein, denn es handelt sich um die allererste experimentelle Realisierung von strömungsgetriebenen aktiven Rotoren im Nanomaßstab. Als die Forscher die Rotationen zum ersten Mal beobachteten, standen sie jedoch vor einem Rätsel: Wie konnten so einfache DNA-Stäbchen diese schönen, anhaltenden Rotationen zeigen?

Das Rätsel wurde in Gesprächen mit dem Theoretiker Ramin Golestanian und seinem Team am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen gelöst. Sie modellierten das System und enthüllten den faszinierenden Selbstorganisationsprozess, bei dem sich die Bündel spontan zu chiralen Rotoren verformen, die dann an den Strom aus den Nanoporen koppeln.

Neue Möglichkeiten beim Bau von Nanonmotoren

„Dieser Selbstorganisationsprozess zeigt die Schönheit der Einfachheit“, sagt Shi. Aber die Bedeutung dieser Arbeit beschränkt sich nicht auf diesen einfachen Rotor selbst. Die Technik und der physikalische Mechanismus, die dahinter stehen, eröffnen eine völlig neue Richtung für den Bau synthetischer Nanomotoren: strömungsgetriebene Nanoturbinen, ein erstaunlich unerforschtes Gebiet für Wissenschaftler und Ingenieure.

„Sie wären überrascht, wie wenig wir über den Bau solcher strömungsgetriebenen Nanoturbinen wussten und erreicht haben, vor allem angesichts des jahrtausendealten Wissens, das wir über den Bau ihrer makroskaligen Gegenstücke haben, und der entscheidenden Rolle, die sie im Leben selbst spielen“, sagt Shi.

In einem weiteren Schritt hat die Gruppe das Wissen, das sie beim Bau dieses selbstorganisierten Rotors gewonnen hat, für einen weiteren wichtigen Fortschritt genutzt: die erste rational konstruierte Turbine im Nanomaßstab.

„Wie immer in der Wissenschaft und in der Technologie sind wir von einem einfachen Windrad ausgegangen und sind nun in der Lage, die schönen holländischen Windmühlen nachzubauen, aber diesmal mit einer Größe von nur 25 nm, der Größe eines einzelnen Proteins in unserem Körper“, sagt Shi, „und wir haben gezeigt, dass sie Lasten tragen können.“

„Nun wurde die Drehrichtung durch die entworfene Chiralität festgelegt“, fügt Dekker hinzu. „Linkshändige Turbinen drehten sich im Uhrzeigersinn, rechtshändige gegen den Uhrzeigersinn.“

Neue Perspektiven in der Robotik

Neben dem besseren Verständnis und der Nachahmung von Motorproteinen wie der F_oF₁-ATP-Synthase eröffnen die Ergebnisse neue Perspektiven für die Entwicklung aktiver Robotik auf der Nanoskala.

Shi sagt: „Was wir hier demonstriert haben, ist ein Motor im Nanomaßstab, der wirklich in der Lage ist, Energie umzuwandeln und Arbeit zu verrichten. Man könnte eine Analogie zur ersten Erfindung der Dampfmaschine im 18. Jahrhundert herstellen. Wer hätte damals vorhersagen können, wie grundlegend sie unsere Gesellschaft verändern würde? Mit diesen molekularen Nanomotoren könnten wir uns jetzt in einer ähnlichen Phase befinden. Das Potenzial ist unbegrenzt, aber es gibt noch viel zu tun.“