Forskare bygger nu de första nanofabrikerna – mindre än ett dammkorn – och ytterst energisnåla. Det här kan vara början till en ny industriell revolution.
Kan man bygga maskiner som är mindre än transistorerna på ett datorchip? Naturen kan. Vår kropp drivs av miljontals molekylära maskiner. Och kan naturen så bör vi i princip också kunna det.
Precis som delarna i en mekanisk maskin, kan små molekyler i en nanomaskin röra sig i förhållande till varandra: agera hjul och spärrhakar eller flytta runt andra molekyler. Både i Sverige och internationellt utvecklas nu sådana maskiner.
Prisade maskiner
De första försöken att bygga extremt små maskiner gjordes redan på 1980-talet och med 2016 års nobelpris i kemi belönades tre pionjärer för design och syntes av molekylära maskiner. Det var alltså molekyler som innehöll delar som kunde röra sig i förhållande till varandra när man tillförde energi. Nobelkommittén framkastade tanken att kemin nu tagit de första stegen in i en ny värld.
Vad ska vi ha nanomaskinen till?
När flygmaskinen uppfanns undrade folk vad man skulle ha den till. Nanomaskinen är i samma läge nu. Förhoppningen är att de kan användas på cellnivå för medicinska syften. Till exempel för att leta efter cancerceller och leverera läkemedel till exakt rätt plats. En styrbar mikroskopisk motor skulle kunna fungera som en mekanisk borr för att göra rent i åderförkalkade kärl.
Källa: KVA, Forskning och Framsteg
Utvecklingsmässigt befinner sig den molekylära motorn ungefär på samma stadium som den elektriska motorn gjorde på 1830-talet. Då visade uppfinnare med stolthet upp diverse snurrande vevar och hjul i sina verkstäder – utan att ha en aning om att de skulle leda fram till tvättmaskiner, fläktar och matberedare.
Byggs av atomer, dna eller proteiner
Nobelpristagarnas konstruktioner är inte byggda av proteiner utan av ännu mindre molekyler som sammanfogats atom för atom.
Det finns även två andra vägar mot molekylmaskiner. Den ena använder dna som byggmaterial. Den andra försöker efterlikna de naturligt förekommande molekylärmaskinerna som består av proteiner, men det är ett arbete som försvåras av att det fortfarande är så mycket vi inte vet om förhållandet mellan proteinmolekylernas struktur och deras funktioner.
Man vet desto mer om hur dna beter sig. Konsten att bygga komplicerade strukturer av dna brukar kallas dna-origami efter den japanska tekniken att vika fram detaljerade figurer av ett enda pappersark. Arket består i det här sammanhanget av en enkel dna-sträng, som är lätt att framställa. Den kan böjas upprepade gånger genom att man fäster mindre bitar dna vid den.
Maskiner med dna-origami
Sveriges främsta expert på dna-origami är Björn Högberg, professor i biofysik på Karolinska institutet:
– Vi har utvecklat algoritmer som hjälper oss att räkna ut hur de bitar vi behöver för en viss struktur ska se ut. För komplicerade strukturer kan det röra sig om tvåhundra bitar. Själva experimentet är mycket enkelt. Allt tillsätts i en lösning och självorganiserar sig sedan spontant, säger han.
Film: Björn Högberg berättar om DNA origami (1 min, 33 sek)
Björn Högberg har inget emot att man beskriver dna-origamierna som komponenter i framtida maskiner. I hans egen forskargrupp används tekniken främst i grundforskningen. Genom att fästa olika proteiner på origamierna har man till exempel mätt upp inom vilka avstånd vissa cellreceptorer effektivt kan påverka varandra, och hur ett så kallat antigen ska se ut för att antikroppar ska kunna fästa på dem.
– Vi har en mycket större frihet än nobelpristagarna, som behövde syntetisera varje molekyl. Vi sitter vid datorn och designar de former vi vill ha. Å andra sidan är ju dna-strukturerna mycket större och kan till exempel inte tränga in i en cell. De fungerar bäst i en skala på 5-100 nanometer, och när man vill undersöka större sammanhang.
Kopplar om vid kontakt
I två projekt arbetar forskargruppen också med att bygga maskiner. Molekyler som binder till vissa receptorer i cellen, kan inte göra det när de förekommer fritt i en lösning. Det tycks krävas en viss kraft för att det ska ske. Med dna-origami ska forskarna bygga en maskin som vid kontakt med cellreceptorn greppar och drar i den. Detta sker genom att en del av dna-strukturen har en kontakt, eller omkopplare – en tillbakatvingad spänd del som kan utlösas och då dra i cellreceptorn.
Inzoomning på nanovärlden
En mikrometer = en tusendels millimeter
En nanometer = en miljondels millimeter
- Ett hårstrå – cirka 100 mikrometer
- En amöba – cirka 100 mikrometer
- En bakterie – cirka 1 mikrometer
- En ribosom (cellens proteinfabrik) – 20 nanometer
- En typisk proteinmolekyl – 3-10 nanometer
- En vattenmolekyl – cirka en nanometer
- En kolatom – cirka 0,14 nanometer
Eftersom det synliga ljusets våglängd ligger på 400-700 nanometer, går det inte att se mindre strukturer än så i vanliga ljusmikroskop.
Forskargruppen planerar också att bygga en sorts ”tunna” av dna, innehållande terapeutiska celler, som kan öppnas vid kontakt med cancerceller och då släppa ut innehållet.
Nanofabrik för dna-armar
I dag är de mest avancerade molekylära maskinerna byggda just med dna-origami. Ett exempel är en hel nanofabrik konstruerad av den brittiske kemiprofessorn David Leigh vid University of Manchester. På en molekylär platta har han lagt ut fyra katalytiskt reaktiva zoner. En dna-arm kan greppa en molekyl och föra den till en eller flera reaktiva positioner där molekylen i fråga förändras. Det är en maskin som gör mer än summan av dess delar, och kan programmeras när det gäller i vilken ordning armen kommer till dess zoner.
Maskiner av proteiner
I naturen fungerar dna som ett minne för arvsmassan. Men cellens proteinmolekyler har andra uppgifter. De är aktiva maskiner som drar, tuggar, sliter och förflyttar.
– Vi har stora kunskaper om dna, och det är lätt att arbeta med. Reglerna är ganska enkla; bara fyra bokstäver – motsvarande dess fyra baser. I motsats till proteiner, som kan bygga enzymer och andra komplexa strukturer, har dna i sig ingen kemisk funktionalitet.
Det säger fysikprofessorn Heiner Linke vid NanoLund, Lunds universitet.
– Proteinerna har 21 bokstäver – aminosyrorna – som i sig är komplexa. Utrymmet för design är så mycket större, men det är fortfarande svårt att förutsäga vilken ”bokstavskombination” som leder till vilken struktur och vilka egenskaper hos proteinet.
Ger proteiner ny funktion
Många funderar över möjligheten att bygga en proteinmotor, men Heiner Linke och hans kollegor tror sig vara ensamma i världen om att verkligen ha gjort detta. I samarbete med forskare i Australien, Kanada och Storbritannien har man arbetat med det i tio års tid.
– Det är för svårt att syntetisera helt nya proteinmolekyler med rätt funktion. Därför har vi tagit i naturen existerande proteiner, och gett dem en annan funktion. Vi vet nu att maskinen finns och att den kan röra sig ett par steg i taget. Men vi är ännu inte fullt nöjda med funktionaliteten, säger Heiner Linke.
Det handlar om en proteinkonstruktion som rör sig längs en dna-molekyl. Den har tre ”fötter” som var och en består av en molekyl som binder till ett visst ställe på dna-strängen. En enkel jon (elektriskt laddad atom eller molekyl) släpps ut i lösningen för att ”foten” ska binda in respektive tas ut när den ska släppa. Det finns en specifik jon för varje fot.
En annorlunda värld
Det ligger nära till hands att föreställa sig att maskiner i nanoskala är en förminskad version av de maskiner vi själva har erfarenhet av. Men i nanovärlden kommer inte kugghjul och vevstakar att bete sig som i vår erfarenhetsvärld. Den brittiske fysiken Richard A. L. Jones exemplifierar detta felslut med sf-filmen Fantastic Voyage. En ubåt med några vetenskapsmän krymps så att den kan injiceras i en människokropp. På sin resa i blodomloppet utsätts besättningen för mordiska jättelymfocyter och andra faror.
Men, konstaterar dr Jones, när ubåten krympts till skalan 1:10000 är vatten tjockare än sirap; farkosten skulle fastna och bli manöveroduglig. Den skulle ändå kastas fram och tillbaka eftersom den skulle bombarderas med nanopartiklar. Alla fria molekyler befinner sig i slumpartad och snabb så kallad termisk rörelse. Omgivningen är dessutom full av klibbiga ytor som gör det möjligt för proteiner att binda sig till varandra. Så ubåtens fönster skulle snabbt täckas av en ogenomskinlig hinna. Slutsatsen är att för den som vill behärska nanovärlden krävs ett nytt slags tänkande.
– Man behöver inte tillföra någon energi för att starta maskinen, säger Heiner Linke. Den stegvisa förflyttningen kommer från den termiska rörelsen, från de molekyler som bombarderar konstruktionen från alla håll. Den energi vi tillför – genom att höja koncentrationen av jonerna – är till för att styra rörelsen.
En biodator med muskler
I väntan på mer avancerade proteinmotorer kan man utnyttja dem som redan finns i naturen. En förbluffande tillämpning är en biodator som ska drivas med muskelkraft. Att det här är fullt möjligt har visats i ett EU-projekt, Bio4Comp. Våra muskler – vare sig de finns på skelettet, i hjärtat eller i kärlväggar – består av miljarder proteinmotorer.
När en muskel sätts i arbete hugger muskelproteinet myosin tag i det trådformade proteinet aktin och drar i det. Aktintrådar, burna och transporterade av myosinmolekyler, rör sig i ett kanalsystem – en motsvarighet till elektiska impulser på kiselchip i en vanlig dator.
För själva motorsystemet har Alf Månsson, professor i fysiologi vid Linnéuniversitetet i Kalmar, och expert på muskler, medverkat.
– Nätverket är avpassat efter det problem som ska lösas. Matematiker och datavetare i projektet räknar ut hur nätverket då ska se ut. Min egen roll är att se till att det finns tillräckligt med motorproteiner och att dessa fungerar och mår så bra som möjligt, säger Alf Månsson.
Lovande tillämpningar
Biodatorn med sina rörliga komponenter är en av de mest lovande tillämpningarna hitintills av molekylära maskinerier. Nära tillhands ligger också medicinska tillämpningar. Som att transportera och leverera läkemedel inuti i kroppen, eller att göra diagnostik med oöverträffad känslighet genom molekyler fästa vid rörliga molekylärmaskiner.
Men även konstruktioner utan direkt praktisk betydelse är ett steg på vägen mot en ny industriell revolution. Det var så den legendariske fysikern Richard P. Feynman såg saken när han sa att man inte förstått något förrän man kan bygga det.
Text: Göran Frankel på uppdrag av forskning.se
Nobelpris för världens minsta maskiner
En väldigt liten hiss, konstgjorda muskler och minimala motorer. 2016 års Nobelpris i kemi gick till fransmannen Jean-Pierre Sauvage, amerikanen Sir Fraser Stoddart och holländaren Bernard L. Feringa för deras formgivning och framställning av molekylära maskiner.
Jean-Pierre Sauvage visade hur man kunde sluta två ringformade molekyler kring varandra som öglor i en kedja. Fraser Stoddart trädde ringformade molekyler på en axel. Elektromagnetiska skillnader mellan ring och axel gjorde att ringen förflyttades som en skyttel mellan två lägen på axeln när värme tillfördes. Stoddart byggde också med hjälp av denna princip en molekylär ”hiss” som kunde lyfta 0,7 nanometer från en yta.
Den tredje pristagaren, Ben Feringa, konstruerade den första molekylära motorn. Två platta strukturer sammanbundna med ett par kolatomer bildade ett par rotorblad. När UV-ljus tillfördes satte sig rotorn i rörelse. När Feringa fick nobelpriset kunde hans rotor göra tolv miljoner varv i sekunden. Han byggde också en ”nanobil” bestående ett molekylärt chassi med fyra motorer vars rotationer satte chassit i rörelse.
