DNA by mohla uspořádat nanočástice do materiálů, které manipulují se světlem novými způsoby

Když se dlouhý řetězec DNA smíchá s kratšími vlákny navrženými tak, aby se přichytily k delšímu kusu na konkrétních místech, mohou tyto kratší řetězce fungovat jako spojující vzpěry spojující části delšího řetězce dohromady, což jej nutí samo sestavit do trojrozměrného tvar.

Biochemici použili toto origami DNA k vytvoření složitých tvarů, včetně kostek, smajlíků a dokonce i hrubých map Číny a Ameriky.

Ale to je jen začátek. DNA origami má potenciál vytvořit širokou škálu zařízení v molekulárním měřítku. Biochemici si začali hrát s umělými enzymy, systémy podávání léků a možná i nanoboty, kteří dokážou prozkoumat tělo.

Také fyzici začali zkoumat potenciál této technologie. Dnes Chao Zhou z Institutu Maxe Plancka pro inteligentní systémy v Německu a několik kolegů zkoumají způsob, jakým DNA origami může vytvářet exotické metamateriály, které manipulují se světlem způsobem, který není možný s konvenčními materiály. Ukazují také, jak vytvořit struktury měnící tvar DNA, které mohou fungovat jako spínače a mohou dokonce chodit po povrchu.

V posledních letech začali fyzici podrobně studovat způsob interakce fotonů s mořem elektronů v kovových vodičích. Fotony, které narážejí do tohoto plazmonického oceánu, vytvářejí na jeho povrchu vlny, jako dopad asteroidu v oceánech Země.

Tyto vlny nesou informace, se kterými lze různými způsoby manipulovat. Plasmonický oceán ho kromě pohlcování světla může rozptylovat a přenášet do něj informace.

Není tedy těžké pochopit, proč je plasmonika vzrušující nově vznikající disciplínou pro zpracování informací a komunikaci. Ale je stále v plenkách kvůli řadě problémů, z nichž v neposlední řadě je to nanometrové měřítko, na kterém se vyskytuje. Vytváření a manipulace s kovovými konstrukcemi v tomto měřítku je obtížné.

Což je místo, kde vstupuje do hry DNA origami. Cílem je připevnit kovové nanočástice nebo nanotyčky k vláknu DNA a poté jej sestavit do specifického tvaru, který ukotví nanočástice na místě.

Různé skupiny, včetně Zhou a spol., to udělaly pomocí zlatých nanočástic a nanotyček připevněných k trubicím DNA, aby vytvořily spirálové struktury. Tyto trubky pak srolují do prstenců.

Protože šroubovice mohou být pravotočivé nebo levotočivé, interagují s kruhově polarizovaným světlem různými způsoby. A to poskytuje způsob, jak je selektivně vyslýchat.

Tyto prstence mají velmi specifické optické vlastnosti, jako je schopnost interagovat se světlem polarizovaným v jednom nebo druhém směru. A co víc, malé změny jejich tvaru mohou tyto vlastnosti dramaticky změnit, protože nutí nanočástice blíže k sobě nebo dále od sebe.

S mnoha molekulami v roztoku může tým sledovat tyto změny analýzou světla, které prochází. Například změna pH mění strukturu molekul způsobem, který může změnit index lomu roztoku. Stejně tak mohou tyto struktury vnímat změny teploty, koncentrace iontů nebo magnetických polí a také přítomnost dalších aktivních molekul.

Samotné světlo může měnit konfiguraci molekul a přepínat je z jednoho tvaru do druhého. To vede k programovatelným nanostrukturám s tvary, které lze měnit jejich zaplavením světlem. Tyto molekuly mají obrovský potenciál pro nanofotonické obvody a logická hradla.

Molekuly měnící tvar zvyšují vyhlídky na další zařízení. Živé buňky jsou naplněny molekulárními stroji, které mohou chodit po strukturách uvnitř buňky, jako jsou mikrotubuly. Tyto stroje zahrnují molekulární motory, jako je kinesin a dynein.

Plazmonické struktury ze zlatých nanotyček dokážou podobným způsobem měnit tvar a umožňují jim i chůzi. Opravdu, Zhou a spol. vytvořili a testovali takové plasmonické chodce ve své laboratoři pomocí nanorůtek jako nohou.

Říkají, že plasmonický chodící systém sestával z dvouvrstvé DNA origami stopy, zlaté nanoruly jako chodce a další zlaté nanotyče jako statoru, říkají.

To vše je důkazem principu práce se vzrušujícími vyhlídkami. Vize je taková, že tyto stroje povedou k nové generaci nesmírně citlivých biologických senzorů a aktuátorů, které mohou být dokonce schopny pracovat uvnitř těla. Mohly by také vést k funkčním povrchům a obvodům s vlastnostmi, které lze zapínat a vypínat světlem. Existuje spousta prostoru pro průzkumy, aby se tento vzrušující multidisciplinární obor dále posunul vpřed, říkají Zhou a spol.

Existuje také spousta výzev. Jedním z problémů je, že struktury DNA se rychle rozpadají, takže bude důležité najít způsoby, jak je učinit stabilnějšími. Dalším je, že kvantové efekty vstupují do hry, když jsou nanočástice a nanotyče umístěny velmi blízko sebe. Důležitá bude také jejich charakteristika.

A zatímco většina těchto optických efektů je výsledkem interakce světla s kovem, zajímavou otázkou je, zda samotné molekuly DNA mohou interagovat se světlem – a pokud ano, jak toho lze využít.

Pro biochemiky, fyziky i inženýry je to obor, který je třeba sledovat.

Ref: arxiv.org/abs/1803.06753 : Chiral Plasmonics s podporou nanotechnologií DNA: Od statického k dynamickému

skrýt