Een turbine van slechts enkele tientallen nanometers groot, gemaakt van DNA, draait uit zichzelf in zout water. Dat maakt het een piepkleine autonome machine. Hij kan chemische reacties versnellen of deeltjes in cellen transporteren.

De minuscule turbine is gemaakt van DNA en ziet eruit als een windmolen. Hij is honderden keren kleiner dan de meeste bacteriën. Wanneer hij zich in zout water bevindt, begint hij vanzelf te draaien. De turbine kan worden ingezet om chemische reacties te versnellen of deeltjes binnen cellen te vervoeren.

Biofysicus Cees Dekker en zijn collega’s aan de Technische Universiteit Delft lieten zich inspireren door een roterend enzym. Dat is een type eiwit dat chemische reacties in cellen versnelt. De natuurkundigen wilden een moleculaire machine bouwen die op dezelfde manier werkt. De machines voegen energie toe aan biologische processen, of brengen andere moleculen in beweging, zonder dat je er voortdurend energie in moet pompen.

Een fietshelm voor elke fietser?
LEES OOK
Een fietshelm voor elke fietser?

DNA als knutselmateriaal

De turbine is een DNA-origamistructuur: het is gemaakt van DNA-moleculen die stuk voor stuk op elkaar worden geplakt en gedraaid, met hoge precisie. De uiteindelijke structuur heeft een as en drie windmolenachtige bladen. Met zijn 25 nanometer is hij ruwweg 2000 keer dunner dan een menselijke haar.

In zout water draait de nanoturbine ongeveer 10 rotaties per seconde. Dat is het gevolg van elektromagnetische interacties tussen de geladen zoutdeeltjes en het DNA. Deze autonome beweging was precies waar de onderzoekers op uit waren.

‘Het is niet heel anders dan een motor in je auto’, zegt Dekker. ‘Je doet er benzine in en je krijgt mechanische arbeid. Bij de nanoturbine voeg je het zoutmengsel toe en je krijgt mechanische arbeid, namelijk rotaties.’

De opgestapelde DNA-moleculen hebben de vorm van drie windmolenachtige bladen. Beeld: Xin Shi/TU Delft.

De onderzoekers ontdekten ook dat ze de turbine konden aandrijven door hem bloot te stellen aan elektrische spanning. Ook draaide hij in stromend water, net zoals de wind een windmolen laat draaien.

De nanoturbine zou kunnen werken als een kleine propeller voor het transport van deeltjes. Dit kan bijvoorbeeld nuttig zijn om geneesmiddelen door kleine vetklodders in cellen te vervoeren. De rotatie kan ook gebruikt worden om moleculen krachtiger samen te brengen, om zo een chemische reactie aan te jagen.

In de nanowereld

Friedrich Simmel noemt het werk een technologische prestatie. Hij is hoogleraar natuurkunde van biologische systemen aan de Technische Universiteit van München in Duitsland. ‘Het maken van een nanoturbine zat in het verleden in de hoofden van veel wetenschappers. Dit is de eerste keer dat wordt aangetoond dat het echt werkt.’

De analogie tussen grote en kleine turbines gaat echter niet helemaal op, zegt natuur- en scheikundige Dean Astumian van de Universiteit van Maine in de Verenigde Staten. Hij zegt dat objecten van nanoformaat relatief meer wrijving ondervinden als ze door vloeistoffen bewegen. Daarbij zijn ze altijd onderhevig aan willekeurige thermische fluctuaties. Hun gedrag is daardoor moeilijk te sturen. Moleculaire machines moeten worden ontworpen voor omstandigheden die specifiek zijn voor de nanoschaal, zegt Astumian.

Dekker zegt dat hij en zijn collega’s mogelijk op nieuwe fenomenen op nanoschaal zijn gestuit, omdat ze niet zeker weten waarom de draairichting van de nanoturbine verandert als het water zouter is. Ze onderzoeken dit met behulp van gedetailleerde computersimulaties. De nanoturbine zou een begin kunnen zijn voor nieuwe fysica van de kleine wereld, zegt Dekker.