211service.com
DNA kan nanodeeltjes rangschikken in materialen die licht op nieuwe manieren manipuleren
Wanneer een lange DNA-streng wordt gemengd met kortere strengen die zijn ontworpen om op specifieke locaties aan het langere stuk te hechten, kunnen deze kortere strengen fungeren als verbindingssteunen die delen van de langere streng met elkaar verbinden, waardoor het gedwongen wordt zichzelf te assembleren tot een driedimensionaal vorm geven aan.
Biochemici hebben deze DNA-origami gebruikt om complexe vormen te creëren, waaronder kubussen, smileygezichten en zelfs ruwe kaarten van China en Amerika.
Maar dit is nog maar het begin. DNA-origami heeft het potentieel om een breed scala aan apparaten op moleculaire schaal te maken. Biochemici zijn begonnen te spelen met kunstmatige enzymen, medicijnafgiftesystemen en misschien zelfs nanobots die het lichaam kunnen verkennen.
Ook natuurkundigen zijn begonnen met het verkennen van het potentieel van de technologie. Vandaag bespreken Chao Zhou van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Duitsland en een paar collega's de manier waarop DNA-origami exotische metamaterialen kan creëren die licht manipuleren op manieren die niet mogelijk zijn met conventionele materialen. Ze laten ook zien hoe je vormveranderende DNA-structuren kunt maken die als schakelaars kunnen fungeren en zelfs over oppervlakken kunnen lopen.
In de afgelopen jaren zijn natuurkundigen begonnen met het in detail bestuderen van de manier waarop fotonen interageren met de zee van elektronen in metalen geleiders. Fotonen die inslaan in deze plasmonische oceaan creëren golven op het oppervlak, zoals een asteroïde-inslag in de oceanen van de aarde.
Deze golven dragen informatie die op verschillende manieren kan worden gemanipuleerd. De plasmonische oceaan absorbeert niet alleen licht, maar kan het ook verstrooien en er informatie in overbrengen.
Het is dus niet moeilijk in te zien waarom plasmonica een opwindende opkomende discipline is voor informatieverwerking en communicatie. Maar het staat nog in de kinderschoenen vanwege een aantal uitdagingen, niet in de laatste plaats de nanometerschaal waarop het voorkomt. Het maken en manipuleren van metalen constructies op deze schaal is moeilijk.
Dat is waar DNA-origami in het spel komt. Het idee is om metalen nanodeeltjes of nanostaafjes aan een DNA-streng te bevestigen en deze vervolgens in een specifieke vorm te assembleren die de nanodeeltjes op hun plaats verankert.
Verschillende groepen, waaronder Zhou en co, hebben dit gedaan met behulp van gouden nanodeeltjes en nanostaafjes die aan DNA-buizen zijn bevestigd om spiraalvormige structuren te creëren. Deze buizen rollen ze vervolgens tot ringen.
Omdat de helices rechts- of linkshandig kunnen zijn, interageren ze op verschillende manieren met circulair gepolariseerd licht. En dat biedt een manier om ze selectief te ondervragen.
Deze ringen hebben zeer specifieke optische eigenschappen, zoals het vermogen om te interageren met licht dat in de een of andere richting is gepolariseerd. Bovendien kunnen kleine veranderingen in hun vorm deze eigenschappen drastisch veranderen, omdat ze de nanodeeltjes dichter bij elkaar of verder uit elkaar drukken.
Met veel van de moleculen in oplossing, kan het team deze veranderingen volgen door licht te analyseren terwijl het er doorheen gaat. Het veranderen van de pH verandert bijvoorbeeld de structuur van moleculen op een manier die de brekingsindex van de oplossing kan veranderen. Op dezelfde manier kunnen deze structuren veranderingen in temperatuur, ionenconcentratie of magnetische velden waarnemen, evenals de aanwezigheid van andere actieve moleculen.
Licht zelf kan de configuratie van de moleculen veranderen, waardoor ze van de ene vorm in de andere veranderen. Dit leidt tot programmeerbare nanostructuren met vormen die kunnen worden veranderd door ze met licht te zappen. Deze moleculen hebben een enorm potentieel voor nanofotonische circuits en logische poorten.
Vormveranderende moleculen vergroten de kans op andere apparaten. Levende cellen zijn gevuld met moleculaire machines die langs structuren in de cel kunnen lopen, zoals microtubuli. Deze machines bevatten moleculaire motoren zoals kinesine en dyneïne.
Plasmonische structuren gemaakt van gouden nanostaafjes kunnen op een vergelijkbare manier van vorm veranderen, waardoor ze ook kunnen lopen. Inderdaad, Zhou en co hebben dergelijke plasmonische wandelaars in hun laboratorium gemaakt en getest met behulp van nanostaafjes als poten.
Het plasmonische loopsysteem bestond uit een dubbellaags DNA-origamispoor, een gouden nanostaafje als wandelaar en nog een gouden nanostaafje als stator, zeggen ze.
Dit alles is proof-of-principle werk met boeiende vooruitzichten. De visie is dat deze machines zullen leiden tot een nieuwe generatie enorm gevoelige biologische sensoren en actuatoren die mogelijk zelfs in het lichaam kunnen werken. Ze kunnen ook leiden tot functionele oppervlakken en circuits met eigenschappen die met licht kunnen worden in- en uitgeschakeld. Er is voldoende ruimte voor verkenningen om dit opwindende multidisciplinaire veld verder te ontwikkelen, zeggen Zhou en co.
Er zijn ook genoeg uitdagingen. Een probleem is dat DNA-structuren snel afbreken, dus het is belangrijk om manieren te vinden om ze stabieler te maken. Een andere is dat kwantumeffecten een rol gaan spelen wanneer nanodeeltjes en nanostaafjes heel dicht bij elkaar worden geplaatst. Het karakteriseren hiervan zal ook belangrijk zijn.
En hoewel de meeste van deze optische effecten het resultaat zijn van interactie van licht met metaal, is een interessante vraag of de DNA-moleculen zelf kunnen interageren met licht - en zo ja, hoe dit kan worden benut.
Voor biochemici, natuurkundigen en ingenieurs is het een vakgebied om in de gaten te houden.
Referentie: arxiv.org/abs/1803.06753 : DNA-nanotechnologie-enabled chirale plasmonics: van statisch naar dynamisch