Nhóm các nhà khoa học quốc tế gần đây đã phát triển được một loại động cơ nano mới làm từ ADN. Nó được điều khiển bởi một cơ chế thông minh và có thể thực hiện các chuyển động nhịp nhàng. Các nhà nghiên cứu hiện dự định sẽ lắp nó bằng một khớp nối và cài đặt nó như một ổ đĩa trong các máy nano phức tạp. Kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology.
Petr Šulc, trợ lý giáo sư tại Trường Khoa học phân tử thuộc Đại học Arizona State và Trung tâm Thiết kế sinh học cho thiết kế phân tử và mô phỏng sinh học, đã hợp tác thực hiện dự án này với giáo sư Famulok (trưởng nhóm dự án) của Đại học Bonn, Đức và giáo sư Walter của Đại học Michigan
Šulc đã sử dụng các công cụ mô hình hóa máy tính của nhóm nghiên cứu để hiểu rõ hơn về thiết kế và hoạt động của động cơ nano lò xo lá này. Cấu trúc bao gồm gần 14.000 nucleotide, tạo thành đơn vị cấu trúc cơ bản của ADN.
Šulc giải thích: “Không thể mô phỏng chuyển động trong cấu trúc nano lớn như vậy nếu không có oxDNA, mô hình máy tính mà nhóm chúng tôi sử dụng để thiết kế và chế tạo các cấu trúc nano ADN. Đây là lần đầu tiên một động cơ công nghệ nano ADN chạy bằng năng lượng hóa học được chế tạo thành công. Chúng tôi rất vui mừng vì các phương pháp nghiên cứu của mình có thể giúp ích cho việc nghiên cứu nó và mong muốn chế tạo được các thiết bị nano phức tạp hơn nữa trong tương lai“.
Loại động cơ mới này tương tự như máy tập sức mạnh tay cầm giúp tăng cường khả năng cầm nắm của bạn khi sử dụng thường xuyên. Tuy nhiên, động cơ nhỏ hơn khoảng một triệu lần. Hai tay cầm được nối với nhau bằng lò xo có cấu trúc hình chữ V.
Giáo sư Michael Famulok từ Viện Khoa học Đời sống và Y tế (LIMES) tại Đại học Bonn cho biết: “Trong máy tập sức mạnh tay cầm, bạn bóp các tay cầm lại với nhau để chống lại lực cản của lò xo. Khi bạn thả tay cầm ra, lò xo sẽ đẩy tay cầm về vị trí ban đầu. Động cơ của chúng tôi sử dụng một nguyên lý rất giống nhau. Nhưng tay cầm không được ấn vào nhau mà được kéo lại với nhau”.
Các nhà nghiên cứu đã tái sử dụng một cơ chế mà nếu không có nó thì sẽ không có thực vật hoặc động vật trên Trái đất. Mỗi tế bào đều được trang bị một dạng thư viện. Nó chứa các bản thiết kế cho tất cả các loại protein mà mỗi tế bào cần để thực hiện chức năng của nó. Nếu tế bào muốn sản xuất một loại protein nhất định, nó sẽ yêu cầu một bản sao từ bản thiết kế tương ứng. Bản phiên mã này được tạo ra bởi các enzyme gọi là ARN polymerase.
ARN polymerase điều khiển các chuyển động đập
Bản thiết kế ban đầu bao gồm các chuỗi ADN dài. Các ARN polymerase di chuyển dọc theo các chuỗi này và sao chép từng chữ cái thông tin được lưu trữ.
Famulok, cũng là thành viên của nhóm nghiên cứu xuyên ngành “Cuộc sống & Sức khỏe” và “Vật chất” tại Đại học Bonn, giải thích: “Chúng tôi lấy ARN polymerase và gắn nó vào một trong các tay cầm trong máy nano của chúng tôi”. “Ở khoảng cách gần, chúng tôi cũng kéo một sợi ADN vào giữa hai tay cầm. Polymerase bám vào sợi này để sao chép. Nó tự kéo dọc theo sợi và phần không phiên mã ngày càng nhỏ hơn. Điều này kéo tay cầm thứ hai một chút về phía cái thứ nhất, đồng thời nén lò xo“.
Chuỗi ADN giữa các tay cầm chứa một chuỗi các chữ cái cụ thể ngay trước khi kết thúc. Cái gọi là trình tự kết thúc này báo hiệu cho polymerase rằng nó sẽ loại bỏ ADN. Bây giờ lò xo có thể giãn ra trở lại và di chuyển các tay cầm ra xa nhau. Điều này đưa trình tự bắt đầu của chuỗi đến gần với polymerase và máy sao chép phân tử có thể bắt đầu một quá trình phiên mã mới: Chu kỳ sau đó lặp lại.
Mathias Centolam, một thành viên của nhóm nghiên cứu do giáo sư Famulok đứng đầu, người đã thực hiện phần lớn các thí nghiệm, giải thích: “Bằng cách này, động cơ nano của chúng tôi thực hiện một hành động xung”.
Nucleotide triphosphate làm năng lượng
Động cơ này cũng cần năng lượng giống như bất kỳ loại động cơ nào khác. Nó được cung cấp bởi các nucleotide mà từ đó polymerase tạo ra các bản phiên mã. Mỗi nucleotide đều có một đuôi nhỏ gồm ba nhóm photphat-một triphosphate. Để gắn một nucleotide vào dãy hiện có, polymerase phải loại bỏ hai nhóm photphat này. Điều này giải phóng năng lượng mà nó có thể sử dụng để liên kết các nucleotide lại với nhau. Famulok cho biết: “Do đó, động cơ của chúng tôi sử dụng nucleotide triphosphate làm nhiên liệu. Nó chỉ có thể tiếp tục chạy khi có đủ số lượng“.
Phòng thí nghiệm của Šulc có tính liên ngành cao và áp dụng rộng rãi các phương pháp vật lý thống kê và mô hình tính toán cho các vấn đề về hóa học, sinh học và công nghệ nano. Nhóm phát triển các mô hình đa quy mô mới để nghiên cứu sự tương tác giữa các phân tử sinh học, đặc biệt trong bối cảnh thiết kế và mô phỏng các cấu trúc và thiết bị nano ADN và ARN. “Giống như những cỗ máy phức tạp trong sử dụng hàng ngày của chúng ta – máy bay, ô tô và chip điện tử – đòi hỏi những công cụ thiết kế tinh vi có sự hỗ trợ của máy tính để đảm bảo chúng thực hiện đúng chức năng mong muốn, nhu cầu cấp thiết là phải tiếp cận được những phương pháp như vậy trong khoa học phân tử“.
Giáo sư Tijana Rajh, giám đốc Trường Khoa học Phân tử, cho biết: “Petr Šulc và nhóm của ông đang thực hiện một dự án khoa học phân tử cực kỳ sáng tạo, sử dụng các phương pháp hóa học và vật lý tính toán để nghiên cứu các phân tử ADN và ARM trong bối cảnh sinh học cũng như công nghệ nano. Các giảng viên trẻ của chúng tôi tại Trường Khoa học Phân tử có thành tích phi thường và Giáo sư Šulc là một tấm gương trên phương diện này“.
Công nghệ nano sinh học
ADN và ARN là những phân tử cơ bản của sự sống. Chúng thực hiện nhiều chức năng, bao gồm lưu trữ thông tin và truyền thông tin trong tế bào sống. Chúng cũng có những ứng dụng đầy hứa hẹn trong lĩnh vực công nghệ nano, nơi các chuỗi ADN và ARM được thiết kế sẵn dùng để lắp ráp các cấu trúc và thiết bị có kích thước nano.
Như Šulc giải thích, nó hơi giống với việc chơi Lego, ngoại trừ việc mỗi khối Lego chỉ có kích thước vài nanomet (một phần triệu milimét) và thay vì đặt từng khối vào đúng vị trí, bạn đặt chúng vào trong hộp và lắc ngẫu nhiên cho đến khi chỉ có cấu trúc mong muốn.
Quá trình này được gọi là tự lắp ráp, và Šulc và các đồng nghiệp của ông sử dụng phần mềm thiết kế và mô hình hóa tính toán để tạo ra các khối kiến tạo có thể tự lắp ráp một cách đáng tin cậy thành hình dạng mà người ta mong muốn ở độ phân giải nano.
Šulc cho biết: “Các ứng dụng đầy hứa hẹn của lĩnh vực này bao gồm chẩn đoán, trị liệu, robot phân tử và chế tạo các vật liệu mới”. “Phòng thí nghiệm của tôi đã phát triển phần mềm để thiết kế các khối này và chúng tôi hợp tác chặt chẽ với các nhóm thử nghiệm tại ASU cũng như các trường đại học khác ở Hoa Kỳ và Châu Âu. Thật thú vị khi thấy các phương pháp của chúng tôi được dùng để thiết kế và mô tả các cấu trúc nano có độ phức tạp ngày càng tăng, như lĩnh vực này tiến triển mới và chúng tôi đạt được các thiết kế tiên tiến mới và vận hành thành công chúng ở quy mô nano“.
P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2023-10-international-team-dna-nano.html, 18/10/2023 (vista.gov.vn)