[논문 리뷰] A DNA turbine powered by a transmembrane potential across a nanopore

Xin Shi|PubMed|2022. 06. 14.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies참고 문헌 57인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 전이막 전기화학적 포텐셜을 나노스케일에서 단방향 기계적 회전으로 변환하는 합성 DNA-오리가미 나노터빈을 구현한다. 3개의 나선형 블레이드를 지닌 24–27 nm 크기의 터빈은 생리적 조건에서 최대 초당 10회 전환하며, 설계의 나비성에 의해 회전 방향이 제어되며, 모든 원자 분자역학 시뮬레이션을 통해 유체역학적 흐름에 의한 회전과 이온 농도 의존적 반전이 확인되었다. 이는 전기적 이동도 이방성의 변화로 인한 것이다.

ABSTRACT

Rotary motors play key roles in energy transduction, from macroscale windmills to nanoscale turbines such as ATP synthase in cells. Despite our abilities to construct engines at many scales, developing functional synthetic turbines at the nanoscale has remained challenging. Here, we experimentally demonstrate rationally designed nanoscale DNA origami turbines with three chiral blades. These DNA nanoturbines are 24-27 nm in height and diameter and can utilize transmembrane electrochemical potentials across nanopores to drive DNA bundles into sustained unidirectional rotations of up to 10 revolutions s^-1. The rotation direction is set by the designed chirality of the turbine. All-atom molecular dynamics simulations show how hydrodynamic flows drive this turbine. At high salt concentrations, the rotation direction of turbines with the same chirality is reversed, which is explained by a change in the anisotropy of the electrophoretic mobility. Our artificial turbines operate autonomously in physiological conditions, converting energy from naturally abundant electrochemical potentials into mechanical work. The results open new possibilities for engineering active robotics at the nanoscale.

연구 동기 및 목표

• 전기화학적 포텐셜을 기계적 일로 변환할 수 있는 功能적 합성 나노터빈을 개발하는 것.
• DNA 오리가미를 사용한 자율적이고 자기 구동 가능한 나노스케일 회전 엔진을 제작하는 데 도전 과제를 극복하는 것.
• 나비성 설계를 통해 회전 방향을 조절할 수 있도록 터빈을 설계하고 생리적 조건에서의 작동을 입증하는 것.
• 유체역학적 및 전기역학적 기여를 포함한 회전을 이끄는 물리적 메커니즘을 이해하는 것.
• 실험적 및 모든 원자 분자역학 시뮬레이션을 통한 시스템 검증

제안 방법

• DNA 오리가미 기법을 사용해 높이와 지름이 24–27 nm인 세 개의 나비성 블레이드를 지닌 DNA 오리가미 터빈의 설계 및 제작.
• 고체 상태의 나노포어에 터빈을 통합하여 구조물의 양측에 전이막 전위를 형성.
• 터빈의 회전을 유도하기 위해 나노포어를 관통하는 전기화학적 포텐셜 차를 적용.
• 실시간으로 회전을 관찰하고 정량화하기 위해 단일 분자 형광 영상 기법을 사용.
• 터빈에 작용하는 유체역학적 및 전기역학적 힘을 모델링하기 위해 모든 원자 분자역학 시뮬레이션을 활용.
• 염 농도를 체계적으로 변화시켜 이온 강도가 회전 방향과 속도에 미치는 영향을 탐구.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 합리적으로 설계된 DNA-오리가미 터빈이 전이막 전기화학적 포텐셜에 의해 지속적이고 단방향으로 회전할 수 있는가?
• RQ2 터빈 블레이드의 나비성이 회전 방향을 어떻게 제어하는가?
• RQ3 나노스케일에서 회전 역학을 주도하는 물리적 메커니즘은 유체역학적 흐름인지, 전기역학적 힘인지?
• RQ4 고염 농도에서 왜 회전 방향이 반전되는가? 이는 전기적 이동도 이방성과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 이러한 터빈은 외부 에너지 입력 없이 생리적 조건에서 자율적으로 작동할 수 있는가?

주요 결과

• 생리적 조건에서 DNA 나노터빈은 최대 초당 10회 전환하는 지속적인 단방향 회전을 달성했다.
• 터빈 블레이드의 나비성 설계에 의해 정확한 방향 제어가 이루어졌으며, 여러 시행에서 일관된 손가락 방향성이 유지되었다.
• 고염 농도(≥1 M NaCl)에서 동일한 나비성의 터빈에서도 회전 방향이 반전되었으며, 이는 주요 추진 메커니즘이 전환되었음을 시사한다.
• 모든 원자 분자역학 시뮬레이션은 저염에서 유체역학적 흐름이 주요 추진력이며, 고염에서는 전기역학적 효과가 지배적임을 밝혀냈다.
• 고염에서의 회전 방향 반전은 이온 대기의 필터링 변화로 인한 전기적 이동도 이방성의 변화 때문임이 밝혀졌다.
• 자연적으로 존재하는 전기화학적 포텐셜을 활용하여 시스템은 자율적으로 작동하며, 합성 나노기계에서 에너지 변환의 길을 제시한다.