Создание такой сборочной линии на молекулярном уровне было давней мечтой многих ученых-нанологов. «Это позволило бы нам собирать новые сложные вещества или материалы для конкретных применений», — говорит профессор Виола Фогель, руководитель лаборатории прикладной механобиологии ETH Zurich. Фогель работала над этим амбициозным проектом вместе со своей командой и недавно сделала важный шаг.
В статье, опубликованной в последнем выпуске журнала Royal Society of Chemistry’s Lab on a Chip, исследователи ETH представили молекулярную сборочную линию, в которой представлены все элементы традиционной производственной линии: мобильная сборочная платформа, сборочный объект, прикрепленные сборочные компоненты. на различных сборочных станциях и мотор (включая топливо) для сборочной тележки для транспортировки объекта от одного сборочного поста к следующему.
Производственная линия в три раза тоньше волоса
На наноуровне сборочная линия принимает форму микрожидкостной платформы, в которую закачивается водный раствор. Эта платформа представляет собой систему каналов с основным каналом шириной всего 30 микрометров — в три раза тоньше человеческого волоса.
Несколько притоков и оттоков ведут к каналу и от него под прямым углом. Платформа была разработана докторантом Фогеля Дирком Штойервальдом, а прототип был создан в чистой комнате исследовательского центра IBM в Рушликоне.
Система каналов покрыта ковром из моторного белка кинезина. Этот белок имеет две подвижные головки, которые перемещаются богатой энергией молекулой АТФ, которая снабжает энергией клетки людей и других форм жизни и, следовательно, делает его предпочтительным топливом в этой искусственной системе.
Пошаговая сборка молекул
Исследователи ETH использовали микротрубочки в качестве сборочных носителей. Микротрубочки представляют собой нитевидные белковые полимеры, которые вместе с кинезином переносят груз вокруг клеток.
С помощью своих подвижных головок кинезин связывается с микротрубочками и продвигает их вперед по поверхности устройства. Эта движущая сила дополнительно поддерживается током, генерируемым жидкостью, закачиваемой в систему каналов. Пять притоков и оттоков направляют ток в магистральный канал и разделяют его на строго разделенные участки: погрузочная площадка, откуда отправляются сборочные вагоны, две сборочные станции и две конечные станции, куда доставляется груз.
Исследователи могут добавлять объекты в систему через линии, соединяющие сегменты сборки.
В своей последней работе они протестировали систему с использованием нейтравидина, первой молекулы, которая связывается с наношатвом. Второй компонент — одиночная короткая цепь генетического материала (ДНК) — затем связывается с нейтравидином, создавая небольшой молекулярный комплекс.
До технических приложений еще далеко
Хотя команда Фогеля достигла давней мечты с этой работой, профессор ETH остается осторожным: «Система все еще находится в зачаточном состоянии. Мы все еще далеки от технического приложения."Фогель считает, что они просто показали, что принцип работает.
Она отмечает, что, хотя создание такой системы молекулярных наношаттлов может показаться легким, большие творческие усилия и знания из разных дисциплин вкладываются в каждый отдельный компонент системы. Создание функционального блока из отдельных компонентов остается большой проблемой. «Мы много думали о том, как спроектировать механические свойства скреплений, чтобы привязать груз к шаттлам, а затем снова выгрузить его в нужном месте."
Использовать биологические двигатели для технических целей непросто.
Молекулярные механизмы, такие как кинезин, должны быть удалены из их биологического контекста и интегрированы в искусственный объект без потери их функциональности. Исследователи также должны были подумать о том, как построить сборочные тележки и как будут выглядеть «гусеницы» и сборочные станции. «Это все отдельные проблемы, которые нам теперь удалось объединить в функционирующее целое», — говорит Фогель.
Изысканные продукты с конвейера нано-сборки
Исследователи предполагают многочисленные применения, включая селективную модификацию органических молекул, таких как белок и ДНК, сборку нанотехнологических компонентов или небольших органических полимеров или химическое изменение углеродных нанотрубок. «Нам нужно продолжить оптимизацию системы и узнать больше о том, как мы можем спроектировать отдельные компоненты этой системы с наношатком, чтобы сделать эти приложения возможными в будущем», — говорит профессор ETH.
Условия для дальнейших исследований в этой области прекрасны: ее группа теперь является частью нового NCCR в Базеле — Разработка молекулярных систем: разработка функциональных молекулярных модулей для заводов.