Energitransmission af guldnanopartikler koblet til DNA-strukturer

Brug af DNA-strukturer som stilladser, Tim Liedl, en videnskabsmand ved Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München, har vist, at præcist placerede guldnanopartikler kan tjene som effektive energitransmittere.

Siden starten af ​​feltet i 2006, laboratorier rundt om i verden har udforsket brugen af ​​'DNA origami' til samling af komplekse nanostrukturer. Metoden er baseret på DNA-strenge med definerede sekvenser, der interagerer via lokaliseret baseparring. "Ved hjælp af korte tråde med passende sekvenser, vi kan forbinde specifikke områder af lange DNA-molekyler sammen, snarere som at danne tredimensionelle strukturer ved at folde et fladt ark papir på bestemte måder, " som professor Tim Liedl fra Det Fysiske Fakultet på LMU forklarer.

Billede og spejlbillede

Liedl har nu brugt DNA-origami til at konstruere chirale objekter, dvs. strukturer, der ikke kan overlejres af nogen kombination af rotation og translation. I stedet besidder de 'håndfærdighed', og er spejlbilleder af hinanden. Sådanne par adskiller sig ofte i deres fysiske egenskaber, for eksempel, i den grad, de absorberer polariseret lys. Denne effekt kan udnyttes på mange måder. For eksempel, det er grundlaget for CD-spektroskopi ('CD'en' står her for 'cirkulær dikroisme'), en teknik, der bruges til at belyse den overordnede rumlige konfiguration af kemiske forbindelser, og endda hele proteiner.

Med henblik på at samle chirale metalstrukturer, Liedl og hans gruppe syntetiserede komplekse DNA-origami-strukturer, der giver præcist placerede bindingssteder til vedhæftning af sfæriske og stavformede guldnanopartikler. Stilladset fungerer derfor som skabelon eller form til placering af nanopartikler på forudbestemte positioner og i en defineret rumlig orientering. "Man kan samle et chiralt objekt udelukkende baseret på arrangementet af guldnanopartiklerne, siger Liedl

Guld er ikke kun kemisk robust, som et ædelmetal udviser det, hvad der er kendt som overfladeplasmonresonanser. Plasmoner er kohærente elektronoscillationer, der genereres, når lys interagerer med overfladen af ​​en metalstruktur. "Man kan forestille sig disse svingninger som værende som de bølger, der ophidser, når en flaske vand rystes enten parallelt eller vinkelret på dens lange akse, siger Liedl.

Guld nanopartikler som energitransmittere

Oscillationer exciteret i rumligt sammenhængende guldpartikler kan kobles til hinanden, og plasmonerne i Liedls eksperimenter opfører sig som billede og spejlbillede, takket være deres chirale disposition på origami-stilladset. "Dette bekræftes af vores CD-spektroskopiske målinger, " siger Liedl. I forsøgene de chirale strukturer bestråles med cirkulært polariseret lys, og absorptionsniveauet måles som en procentdel af inputtet. Dette gør det muligt at skelne højre- og venstrehåndede arrangementer fra hinanden.

I princippet, to guld nanorods burde være tilstrækkeligt til konstruktionen af ​​et chiralt objekt, da de kan arrangeres enten i form af et L eller et omvendt L. Dog de stænger, der blev brugt i eksperimenterne, var relativt langt fra hinanden (på nanoskala), og de plasmoner, der blev exciteret i den ene, havde ringe effekt på dem, der blev genereret i den anden, dvs. de to var næsten ikke koblet til hinanden overhovedet. Men Liedl og hans kolleger havde et trick i ærmet. Ved passende redesign af origami-strukturen, de var i stand til at placere en guld nanosfære mellem parret af L-formede stænger, hvilket effektivt forstærkede koblingen. CD-spektroskopi afslørede tilstedeværelsen af ​​energiovergange, bekræfter dermed den hypotese, som holdet havde udledt fra simuleringer.

Liedl forestiller sig to potentielle indstillinger, hvor disse nanostrukturer kan finde praktisk anvendelse. De kan bruges til at opdage vira, da bindingen af ​​virale nukleinsyrer til en guldpartikel vil forstærke CD-signalet. Ud over, chirale plasmoniske transmittere kunne tjene som modelomskiftningsenheder i optiske computere, hvor optiske elementer erstatter de transistorer, der er elektroniske computeres arbejdsheste.