Des chercheurs de l’Université technique de Delft ont construit les plus petits moteurs à écoulement du monde. Inspirés par les emblématiques moulins à vent hollandais et les protéines de moteurs biologiques, ils ont créé un rotor auto-configurable entraîné par le flux à partir d’ADN, qui convertit l’énergie d’un gradient électrique ou salin en travail mécanique utile. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour l’ingénierie de la robotique active à l’échelle nanométrique. L’article est maintenant publié dans Nature Physics.
Insaisissable
Les moteurs rotatifs ont été les moteurs des sociétés humaines pendant des millénaires : des moulins à vent et des roues à aubes des Pays-Bas et du monde entier aux éoliennes off-shore les plus avancées d’aujourd’hui, qui sont le moteur de notre avenir énergétique vert. « Ces moteurs rotatifs, entraînés par un flux, sont également très présents dans les cellules biologiques. C’est le cas de la FoF1-ATP synthase, qui produit le carburant dont les cellules ont besoin pour fonctionner. Mais la construction synthétique à l’échelle nanométrique est restée jusqu’à présent insaisissable« , explique le Dr Xin Shi, postdoc dans le laboratoire du prof. Cees Dekker au département des bionanosciences de la TU Delft.
« Notre moteur entraîné par le flux est fabriqué à partir d’un matériau ADN. Cette structure est arrimée à un nanopore, une minuscule ouverture, dans une fine membrane. Le faisceau d’ADN, d’une épaisseur de seulement 7 nanomètres, s’auto-organise sous l’effet d’un champ électrique en une configuration semblable à un rotor, qui se met ensuite en mouvement rotatif soutenu de plus de 10 tours par seconde« , explique Shi, premier auteur de la publication dans Nature Physics.
Origami d’ADN
« Depuis sept ans déjà, nous essayons de construire de tels nanomoteurs rotatifs de manière synthétique. Nous utilisons une technique appelée origami d’ADN, en collaboration avec le laboratoire de Hendrik Dietz de l’Université technique de Munich« , ajoute Cees Dekker, qui a supervisé les recherches. Cette technique utilise les interactions spécifiques entre les paires de bases d’ADN complémentaires pour construire des nano-objets en 2D et 3D. Les rotors exploitent l’énergie d’un flux d’eau et d’ions établi par l’application d’une tension ou, plus simplement encore, par la présence de différentes concentrations de sel des deux côtés de la membrane. Cette dernière est l’une des sources d’énergie les plus abondantes en biologie et alimente divers processus critiques, tels que la synthèse du carburant cellulaire et la propulsion des cellules.
Résoudre une énigme
Cette réalisation constitue une étape importante, car il s’agit de la toute première réalisation expérimentale de rotors actifs entraînés par le flux à l’échelle nanométrique. Cependant, lorsque les chercheurs ont observé les rotations pour la première fois, ils sont restés perplexes : comment des bâtonnets d’ADN aussi simples pouvaient-ils présenter ces belles rotations durables ? L’énigme a été résolue lors de discussions avec le théoricien Ramin Golestanian et son équipe de l’Institut Max Planck de dynamique et d’auto-organisation de Göttingen. Ils ont modélisé le système et révélé le fascinant processus d’auto-organisation dans lequel les faisceaux se déforment spontanément en rotors chiraux qui se couplent ensuite au flux provenant des nanopores.
De la simplicité à la conception rationnelle
« Ce processus d’auto-organisation montre vraiment la beauté de la simplicité« , déclare Shi. Mais l’importance de ces travaux ne s’arrête pas à ce simple rotor. La technique et le mécanisme physique qui le sous-tendent ouvrent une voie entièrement nouvelle pour la construction de nanomoteurs synthétiques : les nanoturbines à écoulement, un domaine étonnamment inexploré par les scientifiques et les ingénieurs. « Vous seriez surpris de voir à quel point nos connaissances et nos réalisations en matière de construction de nanoturbines à écoulement sont limitées, surtout si l’on considère les connaissances millénaires dont nous disposons pour construire leurs homologues à grande échelle et les rôles essentiels qu’elles jouent dans la vie elle-même« , déclare Shi.
Dans une étape ultérieure (qui fait l’objet d’une préimpression), le groupe a utilisé les connaissances acquises lors de la construction de ce rotor auto-organisé pour réaliser une autre avancée importante : la première turbine nanométrique conçue de manière rationnelle. « Comme la science et les technologies fonctionnent toujours, nous sommes partis d’une simple roue à picots, nous sommes maintenant capables de recréer les magnifiques moulins à vent hollandais, mais cette fois avec une taille de seulement 25 nm, la taille d’une seule protéine dans votre corps », dit Shi, « et nous avons démontré leur capacité à porter des charges. »
« Et maintenant, le sens de rotation a été fixé par la chiralité conçue« , ajoute Dekker. « Les turbines gauches tournaient dans le sens des aiguilles d’une montre, les droites dans le sens inverse.«
La machine à vapeur
Outre une meilleure compréhension et une meilleure imitation des protéines motrices telles que la FoF1-ATP synthase, ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour l’ingénierie de la robotique active à l’échelle nanométrique. Shi : « Ce que nous avons démontré ici est un moteur à l’échelle nanométrique qui est vraiment capable de transduire l’énergie et de faire du travail. On pourrait faire une analogie avec la première invention de la machine à vapeur au 18e siècle. Qui aurait pu prédire à l’époque comment elle a fondamentalement changé nos sociétés ? Nous sommes peut-être dans une phase similaire aujourd’hui avec ces nanomoteurs moléculaires. Le potentiel est illimité, mais il y a encore beaucoup de travail à faire.«
