Rationally Designed Nanoturbines:The Quest of Piercing Droplet Interface Bilayers with Ultrawide DNA Origami Nanopores

The precise nanoscale functions of the intricate biological molecular machines have always captivated scientists, sparking the pursuit of creating artificial replicas. These endeavors aim to develop nanorobotic systems capable of manipulating matter at the nanoscale, promising transformative impacts from nanomedicine to chemical catalysis. Recently, an artificial turbine at the nanoscale able to exert torque was demonstrated. The rotation of this nanoturbine was governed by a salt-gradient-driven hydrodynamic flow traversing a solid-state nanopore, which also acted as a stator. This system has great potential for powering nanorobotic system, as it can autonomously harness physiologically relevant sources of free energy. Nonetheless, for achieving a similar goal, the nanoturbine system must first be embedded on a lipid membrane. In turn, this implies docking the nanorotor on a bio-inspired nanopore suitable to act as a stator while spanning a lipid bilayer. The present work marks the first steps toward this direction, focussing on the tentative realization of a bio-inspired nanopore suitable to act as a stator for the envisioned nanoturbine system. To meet all the requirements, an ex-novo design of a DNA origami nanopore structure was selected and successfully synthesized. For testing the reconstitution of the synthesized structure, hydrogel-supported Droplet Interface Bilayers (DIBs) were selected as lipid bilayer model. Hydrogel-supported DIBs are electrically accessible, compatible with Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy and super-resolution imaging techniques, granting the possibility of future testing of the envisioned nanoturbine system. Furthermore, TIRF microscopy can be combined to calcium imaging to visually assess the presence of nanopores reconstituted in the bilayer by highlighting the flux of calcium ions traversing the nanopore. While successful reconstitution was achieved in other lipid bilayer models, the reconstitution into hydrogel-supported DIBs posed significant challenges. Despite substantial effort, a definitive strategy for seamless reconstitution remains elusive, yielding promising yet non-definitive outcomes.

Recentemente, una turbina artificiale su scala nanometrica è stata dimostrata essere in grado di generare lavoro. La rotazione della nanoturbina è stata sostenuta tramite un flusso idrodinamico indotto da un gradiente ionico e traversante un nanoporo allo stato solido, agente da statore. Questo apparato ha grande potenziale per l'alimentazione di sistemi nanorobotici, poiché è in grado di convertire autonomamente fonti fisiologiche di energia libera. Tuttavia, per una simile applicazione, la nanoturbina deve essere prima integrata su di una membrana lipidica, il che richiede l'aggancio del nanorotore su un nanoporo, agente da statore, traversante un doppio strato lipidico. Questa tesi presenta i primi passi in questa direzione, focalizzandosi sulla realizzazione di un nanoporo con le descritte caratteristiche. Per rispettare tutti i requisiti, un nuovo design di nanoporo realizzato con la tecnica del DNA origami è stato selezionato e sintetizzato con successo.\\ Per testare la sua ricostituzione in una membrana lipidica, gli 'hydrogel-supported Droplet Interface Bilayers' (DIBs) sono stati scelti come modello di membrana. Questi sono elettricamente accessibili e compatibili con le tecniche di microscopia 'Total Internal Reflection Fluorescence' (TIRF) e 'super-resolution imaging', rendendoli compatibili con la futura caratterizzazione dell'ipotetica nanoturbina appena discussa. Inoltre, la tecnica 'TIRF' può essere abbinata a quella del 'calcium imaging' per constatare visivamente la ricostituzione dei nanopori su di una membrana lipida grazie all'evidenziamento di un flusso di calcio loro traversante. Anche se il nanoporo designato è stato ricostituto con successo su altri modelli di membrana, la ricostituzione negli 'hydrogel-supported DIBs' ha posto una sfida che, nonostante gli sforzi, non sembra ancora essere stata superata, seppur risultanti promettenti siano stati recentemente raggiunti.