DNA kan ordna nanopartiklar till material som manipulerar ljus på nya sätt

När en lång DNA-sträng blandas med kortare strängar utformade för att haka fast på den längre delen på specifika platser, kan dessa kortare strängar fungera som att förbinda stag som länkar samman delar av den längre strängen, vilket tvingar den att självmontera till en tredimensionell sträng. form.

Biokemister har använt denna DNA-origami för att skapa komplexa former, inklusive kuber, smileys och till och med grova kartor över Kina och Amerika.

Men det här är bara början. DNA-origami har potential att göra ett brett utbud av enheter på molekylär skala. Biokemister har börjat leka med artificiella enzymer, läkemedelsleveranssystem och kanske till och med nanobotar som kan utforska kroppen.

Fysiker har också börjat utforska teknikens potential. Idag granskar Chao Zhou vid Max Planck Institute for Intelligent Systems i Tyskland och ett par kollegor hur DNA-origami kan skapa exotiska metamaterial som manipulerar ljus på sätt som inte är möjliga med konventionella material. De visar också hur man gör formförändrande DNA-strukturer som kan fungera som switchar och till och med kan gå över ytor.

På senare år har fysiker börjat studera i detalj hur fotoner interagerar med havet av elektroner i metallledare. Fotoner som slår in i detta plasmoniska hav skapar vågor på dess yta, som ett asteroidnedslag i jordens hav.

Dessa vågor bär information som kan manipuleras på olika sätt. Förutom att absorbera ljus kan det plasmoniska havet sprida det och överföra information till det.

Så det är inte svårt att se varför plasmonik är en spännande framväxande disciplin för informationsbehandling och kommunikation. Men det är fortfarande i sin linda på grund av ett antal utmaningar, inte minst är den nanometerskalan som den förekommer på. Att skapa och manipulera metallstrukturer i denna skala är svårt.

Det är där DNA-origami kommer in i bilden. Tanken är att fästa metallnanopartiklar eller nanorods till en DNA-sträng och sedan sätta ihop den till en specifik form som förankrar nanopartiklarna på plats.

Olika grupper inklusive Zhou och co har gjort detta med hjälp av guld nanopartiklar och nanorods fixerade till DNA-rör för att skapa spiralformade strukturer. De rullar sedan dessa rör till ringar.

Eftersom spiralerna kan vara högerhänta eller vänsterhänta, interagerar de med cirkulärt polariserat ljus på olika sätt. Och det ger ett sätt att selektivt förhöra dem.

Dessa ringar har mycket specifika optiska egenskaper, såsom förmågan att interagera med ljus polariserat i en eller annan riktning. Dessutom kan små förändringar i deras form dramatiskt förändra dessa egenskaper, eftersom de tvingar nanopartiklarna närmare varandra eller längre isär.

Med många av molekylerna i lösning kan teamet övervaka dessa förändringar genom att analysera ljus när det passerar igenom. Till exempel ändrar pH-värdet strukturen hos molekyler på ett sätt som kan ändra lösningens brytningsindex. På samma sätt kan dessa strukturer känna av förändringar i temperatur, jonkoncentration eller magnetfält, såväl som närvaron av andra aktiva molekyler.

Ljuset i sig kan ändra konfigurationen av molekylerna, växla dem från en form till en annan. Detta leder till programmerbara nanostrukturer med former som kan ändras genom att zappa dem med ljus. Dessa molekyler har enorm potential för nanofotoniska kretsar och logiska grindar.

Formförändrande molekyler ökar utsikterna för andra enheter. Levande celler är fyllda med molekylära maskiner som kan gå längs strukturer i cellen, såsom mikrotubuli. Dessa maskiner inkluderar molekylära motorer som kinesin och dynein.

Plasmoniska strukturer gjorda av guld nanorods kan ändra form på ett liknande sätt, vilket gör att de också kan gå. Zhou och co har faktiskt skapat och testat sådana plasmoniska vandrare i deras labb med hjälp av nanorods som ben.

Det plasmoniska rullatorsystemet bestod av ett dubbellager DNA-origami-spår, en guldnanorod som rullator och en annan guld-nanorod som stator, säger de.

Allt detta är proof-of-princip-arbete med spännande framtidsutsikter. Visionen är att dessa maskiner ska leda till en ny generation av enormt känsliga biologiska sensorer och ställdon som kanske till och med kan arbeta inuti kroppen. De skulle också kunna leda till funktionella ytor och kretsar med egenskaper som kan tändas och släckas med ljus. Det finns gott om utrymme för utforskningar för att ytterligare föra detta spännande multidisciplinära fält framåt, säger Zhou och co.

Det finns också många utmaningar. Ett problem är att DNA-strukturer snabbt bryts ner, så det är viktigt att hitta sätt att göra dem mer stabila. En annan är att kvanteffekter spelar in när nanopartiklar och nanorods placeras väldigt nära varandra. Att karakterisera dessa kommer också att vara viktigt.

Och medan de flesta av dessa optiska effekter är resultatet av ljus som interagerar med metall, är en intressant fråga om DNA-molekylerna själva kan interagera med ljus - och i så fall hur detta kan utnyttjas.

För både biokemister, fysiker och ingenjörer är det ett område att hålla ett öga på.

Ref: arxiv.org/abs/1803.06753 : DNA-nanoteknik-aktiverad kiral plasmonik: från statisk till dynamisk

Dölj