Исследователи обнаружили молекулярные наномашины с высокой эффективностью и низкой потерей энергии

В каждом человеке есть триллионы очень маленьких молекулярных наномашин, выполняющих различные важные задачи, чтобы поддержать человека.

Аспирант физики ЮФУ Стивен Лардж и профессор Дэвид Сивак моделируют сложенные и развернутые состояния шпильки ДНК , (Изображение предоставлено SFU)

В продвинутом исследовании группа исследователей под руководством профессора физики ЮФУ Дэвида Сивака впервые предложила подход к манипулированию этими машинами для повышения эффективности и экономии энергии. Открытие, вероятно, будет иметь последствия в различных областях, включая разработку более эффективных компьютерных чипов и солнечных батарей для производства энергии.

Наномашины маленькие, чрезвычайно маленькие – действительно, с шириной в несколько миллиардных долей метра. Они могли выполнять сложные задачи на высокой скорости, включая построение и разрушение молекул, перемещение материалов вокруг клетки, а также обработку и передачу генетической информации.

Согласно Сиваку, поскольку эти задачи могут быть выполнены машинами с потреблением значительно меньшего количества энергии, теория, предсказывающая энергетическую эффективность, дает понимание того, как работают эти микроскопические машины и что идет не так, когда они трескаются.

В лаборатории экспериментальные сотрудники Сивака манипулировали шпилькой ДНК, складывание и разворачивание которой аналогично механическому движению более сложных молекулярных машин. Теория Сивака предсказывала, что они обнаружили высокую эффективность и уменьшили потери энергии, когда быстро потянули за шпильку во время складывания, но медленно во время грани разворачивания.

Стивен Лардж, аспирант физического факультета ЮФУ и соавтор исследования, заявил, что шпильки ДНК (и наномашины) очень маленькие и гибкие и что их постоянно толкают сильные столкновения с окружающими молекулами.

« Позвольте толчку развернуть заколку для вас – это экономия энергии и времени », – прокомментировал Большой.

Сивак считает, что следующим шагом является использование теории, чтобы понять, как управлять молекулярной машиной через рабочий цикл путем уменьшения энергии, необходимой для выполнения действия.

Следовательно, каково преимущество повышения эффективности наномашин? Сивак сообщил, что потенциальные приложения могут быть новаторскими в различных областях.

« Использование может включать разработку более эффективных компьютерных микросхем и компьютерной памяти (снижение требований к энергопотреблению и тепла, которое они излучают), создание лучших материалов для возобновляемых источников энергии для таких процессов, как искусственный фотосинтез (увеличение энергии, получаемой от Солнца) и улучшение автономность биомолекулярных машин для биотехнологических применений, таких как доставка лекарств . »

Это исследование было опубликовано в Труды Национальной академии наук .

Source link