Nano-hængsel - smurt af lys

Nanomaskiner kan overtage en række forskellige opgaver i fremtiden. En dag kan de muligvis udføre medicinsk præcisionsarbejde i den menneskelige krop eller hjælpe med at analysere patogener og forurenende stoffer i mobile laboratorier. Forskere ved Max Planck Instituttet for Intelligente Systemer i Stuttgart har nu præsenteret en mulig komponent, som kunne bruges til specifikt at flytte og styre en sådan maskine. De har udviklet et nanoplasmonisk system i form af en saks, som de kan åbne ved hjælp af UV-lys. Så snart de bestråler nanostrukturen med synligt i stedet for UV-lys, den lukker igen. Forskerne kan observere de strukturelle ændringer ved hjælp af guldpartikler, som de exciterer med lyset.

Dyre- og planteceller, såvel som bakterier gemmer informationen om deres komplette struktur og alle vitale processer i deres DNA. Inden for nanoteknologi, det er ikke DNA's evne til at bære den genetiske sammensætning, som videnskabsmænd bruger, men dens elastiske struktur. Dette giver dem mulighed for at bygge komponenter til små maskiner, såsom motorer og andet værktøj.

For at kunne designe komplette nanomaskiner, imidlertid, forskere skal designe og videreudvikle mulige underenheder af en maskine trin for trin. Forskere fra Max Planck Institute for Intelligent Systems har sammen med kolleger fra Japan og USA nu udviklet en struktur lavet af DNA, der kan fungere som bevægelige komponenter i en nanomotor eller nanogearkasse. Som de to blade af en saks, de har to DNA-bundter forbundet med en type hængsel. Hvert bundt er kun 80 nanometer langt og består hver af 14 strenge af oprullet DNA, der ligger parallelt med hinanden. I første omgang, bevægelsen af ​​den sakse-lignende nanostruktur blokeres af en type kemisk hængelås lavet af azobenzener, som kan åbnes med UV-lys.

Den kemiske hængelås åbnes af lys

Azobenzenkomponenterne er hver især forbundet med en DNA-tråd, der stikker ud fra hvert bundt. I synligt lys, azobenzenresterne antager en struktur, som gør det muligt for de udragende DNA-strenge i de to bundter at forbinde sig med hinanden – de to bundter ligger meget tæt på hinanden. Imidlertid, så snart forskerne exciterer DNA-azobenzen-komplekset med UV-lys, azobenzen ændrer sin struktur. Dette fører til, at de to løse DNA-ender separeres, og hængslet åbner sig inden for få minutter. Lyset virker derfor, i en vis forstand, som et smøremiddel til bevægelsen. Så snart UV-lyset er slukket, azobenzen ændrer sin struktur igen, og de to DNA-ender forbinder sig igen:nanosystemet lukker. "Når vi vil udvikle en maskine, det skal fungere ikke kun i én retning, det skal være reversibelt, " siger Laura Na Liu, som leder en forskningsgruppe ved Max Planck Instituttet i Stuttgart. DNA-bundterne her bevæger sig ikke, fordi lyset ændrer sig, eller fordi azobenzenet ændrer sin struktur, men kun på grund af den brunske molekylære bevægelse.

Forskerne kan live observere, hvordan nanostrukturen åbner og lukker. Til denne ende, de har koblet DNA-nanoteknologien sammen med såkaldt nanoplasmonics:et forskningsfelt, der beskæftiger sig med elektronernes svingninger – såkaldte plasmoner – på en metaloverflade. Plasmonerne kan opstå, når lys rammer en metalpartikel, og efterlade en karakteristisk signatur i passende lys.

Små guldstænger giver information om åbningstilstanden

Forskningsgruppen ledet af Laura Na Liu har genereret disse plasmoner på to små guldstænger, hver sidder på et af de to bundter af DNA. Ved at bruge analogien med saksen, disse to guldpartikler ligger hver på ydersiden af ​​et sakseblad og krydser som DNA-bundterne ved saksens hængsel. Lysexcitationen får ikke kun den molekylære hængelås, der fikserer de to DNA-bundter sammen, til at springe op, plasmoner på guldpartiklerne begynder også at svinge. Når den sakslignende struktur åbner, vinklen mellem de to guldstænger ændres også, hvilket har en effekt på plasmonerne. Forskerne kan observere disse ændringer spektroskopisk ved at bestråle nanosystemet med lys med passende egenskaber og måle, hvordan det ændrer sig. De kan således endda bestemme vinklen mellem DNA-bundterne.

"Det er lykkedes for første gang at kontrollere et nanoplasmonisk system med lys. Og det var netop vores motivation, " siger Laura Na Liu. Forskeren og hendes kolleger havde tidligere arbejdet på nanosystemer, der kan kontrolleres kemisk. de kemiske kontroller er ikke så rene og efterlader rester i systemet.

Laura Na Liu har allerede en applikation i tankerne til det lyskontrollerede saksedesign. Systemet kunne tjene som et værktøj til at kontrollere arrangementet af nanopartikler. "Da vinklen mellem de to DNA-bundter kan kontrolleres, det giver mulighed for at ændre den relative position af nanopartikler i rummet, " siger Laura Na Liu. Desuden, forskerne betragter det nuværende arbejde som et skridt mod en nanomaskine. Det nanoplasmoniske system kunne være en del af en sådan maskine.