DNA könnte Nanopartikel zu Materialien anordnen, die Licht auf neue Weise manipulieren

Wenn ein langer DNA-Strang mit kürzeren Strängen gemischt wird, die dazu bestimmt sind, sich an bestimmten Stellen an das längere Stück zu klammern, können diese kürzeren Stränge wie Verbindungsstreben wirken, die Teile des längeren Strangs miteinander verbinden und ihn dazu zwingen, sich selbst zu einem dreidimensionalen zusammenzufügen Form.

Biochemiker haben dieses DNA-Origami verwendet, um komplexe Formen zu erstellen, darunter Würfel, Smileys und sogar grobe Karten von China und Amerika.

Aber das ist erst der Anfang. DNA-Origami hat das Potenzial, eine breite Palette von Geräten auf molekularer Ebene herzustellen. Biochemiker haben begonnen, mit künstlichen Enzymen, Medikamentenverabreichungssystemen und vielleicht sogar Nanobots zu spielen, die den Körper erforschen können.

Auch Physiker haben begonnen, das Potenzial der Technologie zu erforschen. Heute untersuchen Chao Zhou vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Deutschland und einige Kollegen, wie DNA-Origami exotische Metamaterialien herstellen kann, die Licht auf eine Weise manipulieren, die mit herkömmlichen Materialien nicht möglich ist. Sie zeigen auch, wie man formverändernde DNA-Strukturen herstellt, die als Schalter fungieren und sogar über Oberflächen laufen können.

In den letzten Jahren haben Physiker damit begonnen, die Wechselwirkung von Photonen mit dem Elektronenmeer in metallischen Leitern im Detail zu untersuchen. Photonen, die in diesen plasmonischen Ozean einschlagen, erzeugen Wellen auf seiner Oberfläche, wie ein Asteroideneinschlag in den Ozeanen der Erde.

Diese Wellen tragen Informationen, die auf verschiedene Weise manipuliert werden können. Der plasmonische Ozean kann Licht nicht nur absorbieren, sondern auch streuen und Informationen hinein übertragen.

Es ist also nicht schwer zu verstehen, warum Plasmonik eine aufregende, aufstrebende Disziplin für Informationsverarbeitung und Kommunikation ist. Aufgrund einer Reihe von Herausforderungen steckt sie jedoch noch in den Kinderschuhen, nicht zuletzt aufgrund der Nanometerskala, in der sie auftritt. Das Erstellen und Manipulieren von Metallstrukturen in dieser Größenordnung ist schwierig.

Hier kommt DNA-Origami ins Spiel. Die Idee besteht darin, metallische Nanopartikel oder Nanostäbchen an einem DNA-Strang zu befestigen und ihn dann zu einer bestimmten Form zusammenzusetzen, die die Nanopartikel an Ort und Stelle verankert.

Verschiedene Gruppen, darunter Zhou und Co., haben dies getan, indem sie Goldnanopartikel und Nanostäbchen verwendet haben, die an DNA-Röhrchen befestigt waren, um helikale Strukturen zu erzeugen. Diese Rohre rollen sie dann zu Ringen.

Da die Helices rechts- oder linksgängig sein können, interagieren sie auf unterschiedliche Weise mit zirkular polarisiertem Licht. Und das bietet eine Möglichkeit, sie selektiv zu befragen.

Diese Ringe haben sehr spezifische optische Eigenschaften, wie die Fähigkeit, mit Licht zu interagieren, das in die eine oder andere Richtung polarisiert ist. Darüber hinaus können kleine Änderungen ihrer Form diese Eigenschaften dramatisch verändern, weil sie die Nanopartikel näher zusammen oder weiter auseinander zwingen.

Da sich viele der Moleküle in Lösung befinden, kann das Team diese Veränderungen überwachen, indem es das Licht beim Durchgang analysiert. Beispielsweise verändert eine Änderung des pH-Werts die Struktur von Molekülen in einer Weise, die den Brechungsindex der Lösung ändern kann. Auf die gleiche Weise können diese Strukturen Änderungen der Temperatur, Ionenkonzentration oder Magnetfelder sowie das Vorhandensein anderer aktiver Moleküle erfassen.

Licht selbst kann die Konfiguration der Moleküle verändern und sie von einer Form in eine andere umwandeln. Dies führt zu programmierbaren Nanostrukturen mit Formen, die durch Lichteinwirkung verändert werden können. Diese Moleküle haben ein enormes Potenzial für nanophotonische Schaltungen und Logikgatter.

Formverändernde Moleküle erhöhen die Aussicht auf andere Geräte. Lebende Zellen sind mit molekularen Maschinen gefüllt, die entlang von Strukturen innerhalb der Zelle laufen können, wie z. B. Mikrotubuli. Zu diesen Maschinen gehören molekulare Motoren wie Kinesin und Dynein.

Plasmonische Strukturen aus Gold-Nanostäbchen können auf ähnliche Weise ihre Form ändern, sodass sie ebenfalls laufen können. Tatsächlich haben Zhou und Co. solche plasmonischen Wanderer in ihrem Labor unter Verwendung von Nanostäbchen als Beine entwickelt und getestet.

Das plasmonische Walker-System bestand aus einer doppelschichtigen DNA-Origami-Spur, einem Gold-Nanostäbchen als Läufer und einem weiteren Gold-Nanostäbchen als Stator, heißt es.

All das ist Proof-of-Principle-Arbeit mit spannenden Perspektiven. Die Vision ist, dass diese Maschinen zu einer neuen Generation hochsensibler biologischer Sensoren und Aktoren führen, die möglicherweise sogar im Körper arbeiten können. Sie könnten auch zu funktionalen Oberflächen und Schaltkreisen führen, deren Eigenschaften sich mit Licht ein- und ausschalten lassen. Es gibt viel Raum für Erkundungen, um dieses spannende multidisziplinäre Feld weiter voranzutreiben, sagen Zhou und Co.

Es gibt auch viele Herausforderungen. Ein Problem ist, dass DNA-Strukturen schnell zusammenbrechen, daher wird es wichtig sein, Wege zu finden, sie stabiler zu machen. Ein weiterer Grund ist, dass Quanteneffekte ins Spiel kommen, wenn Nanopartikel und Nanostäbchen sehr nahe beieinander platziert werden. Es wird auch wichtig sein, diese zu charakterisieren.

Und während die meisten dieser optischen Effekte das Ergebnis der Wechselwirkung von Licht mit Metall sind, ist eine interessante Frage, ob die DNA-Moleküle selbst mit Licht interagieren können – und wenn ja, wie dies ausgenutzt werden kann.

Für Biochemiker, Physiker und Ingenieure gleichermaßen ist es ein Bereich, den man im Auge behalten muss.

Ref: arxiv.org/abs/1803.06753 : DNA-Nanotechnologie-aktivierte chirale Plasmonik: Von statisch zu dynamisch

verbergen