Dispositivo rotativo impulsionado pelo movimento browniano pode abrir caminho para máquinas em nanoescala mais avançadas.
Os físicos construíram um motor em escala molecular inteiramente a partir de filamentos de DNA e o usaram para armazenar energia ao enrolar uma “mola” de DNA.
Não é o primeiro nanomotor de DNA, mas é “certamente o primeiro a realmente realizar trabalho mecânico mensurável”, diz Hendrik Dietz, biofísico da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, cuja equipe relatou os resultados em 20 de julho na Nature. A técnica se soma a uma lista crescente de truques de ?origami de DNA? que estão sendo usados para construir estruturas em escala molecular. A abordagem visa encontrar aplicações em campos como síntese química e entrega de drogas.
As células vivas estão repletas de máquinas moleculares, incluindo motores rotativos; estes realizam uma série de tarefas, desde agitar o flagelo de uma bactéria até a produção de moléculas de ATP que compõem os estoques de energia de uma célula. Esses motores geralmente usam mecanismos de catraca, semelhantes às rodas dentadas em um relógio que permitem rotações em uma direção, mas não na outra.
Como tudo mais na célula, as máquinas biológicas são continuamente sacudidas como resultado do movimento browniano – o movimento constante e aleatório de moléculas e outras partículas no citoplasma. Muitas vezes, quando as partículas colidem umas com as outras, elas podem transmitir um “chute” de energia umas às outras.
Dietz e seus colegas queriam projetar um motor de DNA que pudesse ser acionado pelo movimento browniano de maneira semelhante às máquinas baseadas em proteínas encontradas nas células. Na técnica de origami de DNA que eles usaram, loops de DNA de fita simples de um vírus bacteriófago são misturados em uma solução com fitas curtas de DNA sintético; estes são feitos para coincidir com as sequências de nucleobases de locais específicos no genoma viral. Os pedaços curtos se ligam aos fios longos e os forçam a dobrar na forma desejada. Desde que essa técnica foi demonstrada pela primeira vez em 2006, os pesquisadores construíram origamis de DNA de complexidade crescente.
Chutes e pancadas
Dietz e sua equipe construíram plataformas triangulares de DNA, cada uma com uma haste saindo do meio. Eles colaram essas estruturas em uma superfície de vidro e adicionaram longos braços de DNA, que se prenderam às plataformas de uma maneira que lhes permitiu girar em torno da haste.
Para criar um efeito de catraca, os pesquisadores padronizaram as plataformas com saliências que dificultavam essa rotação. Apenas os chutes fornecidos pelo movimento browniano permitiram que os braços superassem os solavancos e girassem, normalmente em meia volta.
Sem qualquer intervenção adicional, a rotação iria para frente e para trás aleatoriamente. Assim, a equipe também mergulhou dois eletrodos na solução e passou uma corrente elétrica em direções alternadas. A mudança de voltagem alterou a paisagem de energia experimentada pelos longos braços de DNA e tornou a rotação em uma direção mais favorável, por meio de um mecanismo conhecido como catraca browniana intermitente.
Isso transformou os dispositivos passivos em motores reais. Imagens de microscópio demonstraram que, nessas condições, cada braço – embora balançando aleatoriamente – continuou girando na mesma direção em média. (A direção dependia da orientação precisa da base triangular em relação aos eletrodos.)
Como um relógio de corda
Por si só, o motor em nanoescala nada mais faz do que superar o arrasto da solução circundante. “É como quando você está nadando: você está avançando e faz muito trabalho, e isso se dissipa na água”, diz Dietz. Mas, para mostrar que ele também poderia fazer um trabalho potencialmente útil, os pesquisadores deram mais um passo: anexaram outra sequência de DNA ao rotor e o fizeram girar como a mola espiral usada para girar as engrenagens em um relógio mecânico. Tal mecanismo pode ajudar as nanomáquinas a armazenar energia ou puxar outros componentes mecânicos, diz Dietz.
“É uma conquista notável da equipe, em primeiro lugar, eles serem capazes de projetar um sistema que se dobra em uma estrutura tão complexa e funcional com origami de DNA e, em segundo lugar, eles serem capazes de caracterizar sua dinâmica tão completamente.” diz David Leigh, químico da Universidade de Manchester, Reino Unido. Usando uma abordagem muito diferente, Leigh e sua equipe demonstraram este ano um motor rotativo em escala atômica, que girava em torno de uma única ligação molecular.
Publicado em 23/07/2022 12h10
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