DNA może organizować nanocząsteczki w materiały, które manipulują światłem w nowy sposób

Kiedy długa nić DNA jest zmieszana z krótszymi nićmi zaprojektowanymi tak, aby przyczepiać się do dłuższego kawałka w określonych miejscach, te krótsze nici mogą działać jak rozpórki łączące części dłuższej nici, zmuszając je do samoorganizacji w trójwymiarowy kształt.

Biochemicy wykorzystali to origami DNA do tworzenia złożonych kształtów, w tym sześcianów, uśmiechniętych twarzy, a nawet przybliżonych map Chin i obu Ameryk.

Ale to dopiero początek. Origami DNA ma potencjał do tworzenia szerokiej gamy urządzeń na skalę molekularną. Biochemicy zaczęli bawić się sztucznymi enzymami, systemami dostarczania leków, a być może nawet nanobotami, które mogą badać organizm.

Fizycy również zaczęli badać potencjał tej technologii. Dzisiaj Chao Zhou z Instytutu Systemów Inteligentnych Maxa Plancka w Niemczech wraz z kilkoma kolegami analizuje sposób, w jaki origami DNA może tworzyć egzotyczne metamateriały, które manipulują światłem w sposób niemożliwy do uzyskania przy użyciu konwencjonalnych materiałów. Pokazują również, jak tworzyć zmieniające kształt struktury DNA, które mogą działać jak przełączniki, a nawet chodzić po powierzchniach.

W ostatnich latach fizycy zaczęli szczegółowo badać sposób, w jaki fotony oddziałują z morzem elektronów w przewodnikach metalowych. Fotony, które uderzają w ten ocean plazmoniczny, tworzą fale na jego powierzchni, jak uderzenie asteroidy w oceany Ziemi.

Fale te niosą informacje, którymi można manipulować na różne sposoby. Oprócz pochłaniania światła, ocean plazmoniczny może je rozpraszać i przenosić do niego informacje.

Nietrudno więc zrozumieć, dlaczego plazmonika jest ekscytującą, wschodzącą dyscypliną przetwarzania i komunikacji informacji. Ale wciąż jest w powijakach ze względu na szereg wyzwań, z których nie najmniej ważnym jest skala nanometrowa, w której występuje. Tworzenie i manipulowanie konstrukcjami metalowymi na taką skalę jest trudne.

W tym momencie do gry wchodzi origami DNA. Pomysł polega na dołączeniu metalowych nanocząstek lub nanoprętów do nici DNA, a następnie złożenie ich w określony kształt, który zakotwiczy nanocząstki w miejscu.

Różne grupy, w tym Zhou i spółka, zrobiły to za pomocą nanocząstek złota i nanoprętów przymocowanych do rurek DNA w celu stworzenia struktur spiralnych. Następnie zwijają te rurki w pierścienie.

Ponieważ helisy mogą być praworęczne lub lewoskrętne, oddziałują one ze światłem spolaryzowanym kołowo na różne sposoby. A to daje sposób na selektywne przesłuchiwanie ich.

Pierścienie te mają bardzo specyficzne właściwości optyczne, takie jak zdolność do interakcji ze światłem spolaryzowanym w jednym lub drugim kierunku. Co więcej, niewielkie zmiany w ich kształcie mogą radykalnie zmienić te właściwości, ponieważ zmuszają nanocząstki bliżej siebie lub dalej od siebie.

Mając wiele cząsteczek w roztworze, zespół może monitorować te zmiany, analizując przechodzące przez nie światło. Na przykład zmiana pH zmienia strukturę cząsteczek w sposób, który może zmienić współczynnik załamania światła roztworu. W ten sam sposób struktury te mogą wykrywać zmiany temperatury, stężenia jonów lub pól magnetycznych, a także obecność innych aktywnych cząsteczek.

Samo światło może zmienić konfigurację molekuł, zmieniając ich kształt na inny. Prowadzi to do programowalnych nanostruktur o kształtach, które można zmieniać, zasłaniając je światłem. Cząsteczki te mają ogromny potencjał dla obwodów nanofotonicznych i bramek logicznych.

Zmieniające kształt molekuły dają szansę na inne urządzenia. Żywe komórki są wypełnione maszynami molekularnymi, które mogą chodzić wzdłuż struktur wewnątrz komórki, takich jak mikrotubule. Maszyny te obejmują silniki molekularne, takie jak kinezyna i dyneina.

Struktury plazmonowe wykonane ze złotych nanoprętów mogą zmieniać kształt w podobny sposób, umożliwiając im również chodzenie. Rzeczywiście, Zhou i spółka stworzyli i przetestowali takie plazmoniczne chodziki w swoim laboratorium, używając nanoprętów jako nóg.

Mówią, że plazmoniczny system chodzika składał się z dwuwarstwowej ścieżki origami DNA, złotego nanoprętu jako chodzika i innego złotego nanoprętu jako statora.

Wszystko to jest pracą dowodową z ekscytującymi perspektywami. Wizja jest taka, że ​​te maszyny doprowadzą do powstania nowej generacji niezwykle czułych czujników biologicznych i siłowników, które mogą nawet działać wewnątrz ciała. Mogą również prowadzić do funkcjonalnych powierzchni i obwodów o właściwościach, które można włączać i wyłączać za pomocą światła. Jest mnóstwo miejsca na eksploracje, aby dalej rozwijać tę ekscytującą, multidyscyplinarną dziedzinę, mówią Zhou i spółka.

Nie brakuje też wyzwań. Jednym z problemów jest to, że struktury DNA szybko się rozpadają, dlatego ważne będzie znalezienie sposobów na uczynienie ich bardziej stabilnymi. Innym jest to, że efekty kwantowe wchodzą w grę, gdy nanocząstki i nanopręty są umieszczone bardzo blisko siebie. Ich scharakteryzowanie również będzie ważne.

I chociaż większość tych efektów optycznych jest wynikiem interakcji światła z metalem, interesującym pytaniem jest, czy same cząsteczki DNA mogą wchodzić w interakcje ze światłem – a jeśli tak, to jak można to wykorzystać.

Dla biochemików, fizyków i inżynierów jest to pole, na które trzeba mieć oko.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1803.06753 : Chiralna plazmonika z obsługą nanotechnologii DNA: od statycznej do dynamicznej

ukryć