Dönme, makinelerin iyi yağlanmış çarkları ve tekerleklerinden tek hücreli yüzücülerin dönen kamçılarına kadar değişen uygulamalarla, hemen hemen her boyut ölçeğinde en uyarlanabilir mekanik hareket türlerinden biridir. Doğrusal hareket, otomobillerin ve konveyör bantların dönen tekerlekleri tarafından tahrik edilir. Dönme, hücre altı düzeyde hem mekanik hem de kimyasal süreçleri yönlendirir. Hücresel işlevlere güç sağlamak için adenozin trifosfat molekülleri oluşturan ATP sentaz enzimi, dönen bir çekirdek protein silindiri üzerine inşa edilmiştir.
Küçük ölçekli fizik, kendi minyatür molekül birleştiricilerini ve diğer cihazları yaratmak için uzun süredir canlıların moleküler mekanizmalarını taklit etmeye çalışan araştırmacılar için zorluklar yaratmıştır. Su, mikron altı dönen bir rotorun tek bir yönde dönmeye devam etmesi için gerekli ataletten yoksundur. Bunun yerine, rastgele molekül hareketlerinin Brown fırtınasıyla savrulur ve viskoz sürüklenmeyle durur. Araştırmacıların minik makinelerin çalışmasının fiziksel mekanizmasını geliştirmeleri gerekiyor, ancak hangisinin en iyisi olacağı belli değil. Bu da minik makinelerin üretimindeki zorlukları artırıyor.
Birkaç başarı elde edilmiştir. İlk tek yönlü sentetik moleküler rotor, 2016 Nobel Kimya Ödülü’nü paylaşan Bernard Feringa tarafından yaratıldı. Isı ve ışığın dönüşümlü darbeleriyle hareket ettirildi. Manchester Üniversitesi’nde David Leigh ve arkadaşları, biyomoleküller gibi kimyasal güçle çalışan bir dizi rotor yarattı. Ancak şimdiye kadar, en gelişmiş rotorlar bile makul olmayan bir şekilde yavaştı ve tek bir dönüşü tamamlamak için dakikalar ya da saatler gerekiyordu.
Münih Teknik Üniversitesi’nden Hendrik Dietz ve doktora öğrencisi Anna-Katharina Pumm’un da aralarında bulunduğu birbiriyle örtüşen iki grup sayesinde işler artık daha da hızlandı. DNA origamisi kullanarak her biri saniyede birkaç kez dönen iki farklı rotor yarattılar – biyolojik muadillerinin hızına eşit bir şekilde. Fiziksel olarak benzer olsalar da – her iki rotor kanadı da 500 nm uzunluğunda DNA demetlerinden oluşuyor – oldukça farklı işlev görüyorlar. Nature Physics’te ayrıntılı olarak açıklandığı üzere bunlardan biri türbin gibi çalışmakta ve etrafındaki sıvı akışı tarafından tahrik edilmektedir. Diğeri ise, doğada belirtildiği gibi, tüm sisteme uygulanan bir AC elektrik alanı tarafından tahrik edilir ve kablosuz bir elektrik motoru gibi otonom olarak döner.
Proteinler, biyoloji tarafından moleküler makinelerinin karmaşık şekillerini ve yapılarını inşa etmek için kullanılır. Protein dizilimi, yapısı ve işlevi arasındaki bağlantılar araştırmacılar tarafından çözülmeye başlandı, ancak talep üzerine tutarlı bir şekilde protein bazlı cihazlar oluşturabilmeleri için önlerinde hala uzun bir yol var.
DNA origamisinin icadı bilimsel inovasyonun kanıtıdır. DNA yapısal bir madde değildir; doğada bilgi taşıyan bir maddedir. Bununla birlikte, araştırmacılar onu bir şeyler yaratmak için yeniden kullanmışlardır çünkü hassas etkileşimler tasarlamak kolaydır – DNA’nın tek iplikleri tamamlayıcı dizilerine kolayca yapışır ve diğerlerine neredeyse hiç yapışmaz.
Karmaşık DNA nano-nesnelerinin tasarımı ve karakterizasyonu konusunda uzman olan Dietz, 2016 yılında DNA-origami motorları üzerinde çalışmak üzere fon aldı. Bir nanogözenek üzerinden akan bir iyon akımı kullanarak bir DNA rotorunu yel değirmeninin kanadı gibi bir daire içinde hareket ettirmek gibi diğer çalışma prensiplerini araştırmaya başladı.
Hollanda Delft Teknoloji Üniversitesi’nden biyofizikçi Cees Dekker de benzer bir düşünceye sahipti ve Dietz ve Dekker’in postdoc’u Xin Shi ile birlikte Nature Physics çalışmasını ürettiler. Şekil 1’de görülen rotoru oluşturmak için birlikte çalıştılar: silikon nitrür membrandaki bir nanogözeneğe bağlanmasını sağlayan küçük bir çıkıntıya sahip altı DNA ipliğinden oluşan uzun bir demet.
Rotor, tuz gradyanı ya da elektrokimyasal potansiyelin neden olduğu bir iyon akımı gözenekten aktığında dönmeye başlar.
İlginç bir şekilde, tek yönlü dönüş, kiral simetriyi bozan ancak kanadın yapısının bir parçası olmayan eğrilik tarafından mümkün kılınır. Bir DNA demeti dengede düz bir çubuktur; iyon akışı eğrilmesine neden olan tek faktördür. Dahası, simetrinin nasıl kırılabileceğini tahmin etmek ya da düzenlemek mümkün değildir. Bazı rotorlar saat yönünde veya saat yönünün tersine döner ve hatta birkaçı deney devam ederken kendi kendine yön değiştirir.
Araştırmacılar, simetriyi ihlal eden kontrolsüz bir rotor tasarımıyla işe başlamadı. Kontrol edilebilir şekilde kavisli bir kanat oluşturmak için yıllar harcandı. Dietz ekliyor, “Ama asla dönmedi.” Böylece geriye sadece akiral çubuk kalana kadar tüm karmaşıklığı yavaş yavaş ortadan kaldırdık. Daha sonra, o da döndü!
Kaynak: physicstoday
İleri Okuma: https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.5094
