Наномашины научили перезаряжаться теплом

Художественная иллюстрация процесса перезарядки ДНК-схемы теплом. Авторы: Оливье Вьяр и Айлади Кортелетти

Ученые из Калифорнийского технологического института разработали метод питания наномасштабных молекулярных машин с помощью тепла. Система самостоятельно перезаряжается при нагреве, создавая многоразовую систему для различных вычислений.

Исследователи под руководством профессора биоинженерии Лулу Цянь создают наномашины из синтетической ДНК, используя уникальные химические свойства ДНК для построения схем, обрабатывающих сигналы подобно миниатюрным компьютерам.

«В отличие от специализированных топлив, тепло есть везде и легко доступно», — говорит Цянь. «При правильной конструкции оно может перезаряжать молекулярные машины снова и снова, позволяя им поддерживать активность и продолжать взаимодействовать с окружающей средой».

Метод тепловой перезарядки основан на явлении кинетической ловушки. ДНК-молекулы в системе спроектированы так, что при нагревании энергия запасается в молекулярных связях.

«Представьте две нити ДНК, которые должны соединиться, как пазл, но одна из них удерживается третьей нитью, замедляющей реакцию», — объясняет бывший постдок Тяньци Сон. «Это похоже на сжатую пружину — энергия есть и ждет. Добавление катализаторной нити высвобождает блок, вызывая быстрое соединение ДНК-нитей и высвобождение запасенной энергии».

Исследователи показали, что этот перезаряжаемый метод может питать различные системы — нейронные сети и логические схемы, которые являются архетипами классических вычислений.

Важно, что идея многократного использования через кинетические ловушки не ограничивается теплом. В принципе, любой источник энергии — свет, соль или градиенты кислоты — может выполнять ту же роль.

«В долгосрочной перспективе такие постоянно работающие молекулярные машины могли бы «жить» внутри повседневных материалов», — добавляет Цянь. «Представьте покрытие для самолета, постоянно ощущающее напряжение и восстанавливающее трещины, или контактные линзы, которые самостоятельно увлажняются и корректируют зрение, или умный препарат, который продолжает учиться бороться с новыми заболеваниями всю жизнь».

Исследование опубликовано в журнале Nature.