DNS varētu sakārtot nanodaļiņas materiālos, kas manipulē ar gaismu jaunos veidos

Ja gara DNS virkne tiek sajaukta ar īsākām virknēm, kas paredzētas, lai noteiktās vietās pieķertos garākajam gabalam, šīs īsās virknes var darboties kā savienojošie statņi, kas savieno garākās virknes daļas, liekot tai pašai salikt trīsdimensiju. forma.

Bioķīmiķi ir izmantojuši šo DNS origami, lai izveidotu sarežģītas formas, tostarp kubus, smaidošas sejas un pat aptuvenas Ķīnas un Amerikas kartes.

Bet tas ir tikai sākums. DNS origami ir potenciāls izveidot plašu ierīču klāstu molekulārā mērogā. Bioķīmiķi ir sākuši spēlēties ar mākslīgiem enzīmiem, zāļu ievadīšanas sistēmām un, iespējams, pat nanobotiem, kas var izpētīt ķermeni.

Arī fiziķi ir sākuši izpētīt tehnoloģijas potenciālu. Šodien Čao Džou no Maksa Planka Inteliģento sistēmu institūta Vācijā un pāris kolēģi pārskata veidu, kā DNS origami var radīt eksotiskus metamateriālus, kas manipulē ar gaismu tādos veidos, kas nav iespējams ar parastajiem materiāliem. Tie arī parāda, kā izveidot formu mainošas DNS struktūras, kas var darboties kā slēdži un var pat staigāt pa virsmām.

Pēdējos gados fiziķi ir sākuši detalizēti pētīt veidu, kā fotoni mijiedarbojas ar elektronu jūru metāla vadītājos. Fotoni, kas ietriecas šajā plazmoniskajā okeānā, rada viļņus uz tā virsmas, piemēram, asteroīda triecienu Zemes okeānos.

Šie viļņi nes informāciju, ar kuru var manipulēt dažādos veidos. Plazmoniskais okeāns var ne tikai absorbēt gaismu, bet arī to izkliedēt un pārsūtīt tajā informāciju.

Tāpēc nav grūti saprast, kāpēc plazmonika ir aizraujoša jauna disciplīna informācijas apstrādei un saziņai. Taču tas joprojām ir sākumstadijā vairāku izaicinājumu dēļ, tostarp nanometru skala, kurā tas notiek. Metāla konstrukciju izveidošana un manipulēšana šādā mērogā ir sarežģīta.

Šeit tiek izmantots DNS origami. Ideja ir pievienot metāla nanodaļiņas vai nanostieņus DNS virknei un pēc tam salikt to īpašā formā, kas noenkuro nanodaļiņas savā vietā.

Dažādas grupas, tostarp Zhou un co, to ir izdarījušas, izmantojot zelta nanodaļiņas un nanostieņus, kas piestiprināti pie DNS caurulēm, lai izveidotu spirālveida struktūras. Pēc tam viņi sarullē šīs caurules gredzenos.

Tā kā spirāles var būt labās vai kreisās puses, tās dažādos veidos mijiedarbojas ar cirkulāri polarizētu gaismu. Un tas nodrošina veidu, kā viņus selektīvi nopratināt.

Šiem gredzeniem ir ļoti specifiskas optiskās īpašības, piemēram, spēja mijiedarboties ar vienā vai otrā virzienā polarizētu gaismu. Turklāt nelielas izmaiņas to formā var krasi mainīt šīs īpašības, jo tās piespiež nanodaļiņas tuvāk viena otrai vai tālāk viena no otras.

Tā kā daudzas molekulas ir šķīdumā, komanda var uzraudzīt šīs izmaiņas, analizējot gaismu, kad tā iet cauri. Piemēram, pH maiņa maina molekulu struktūru tādā veidā, kas var mainīt šķīduma refrakcijas indeksu. Tādā pašā veidā šīs struktūras var sajust temperatūras, jonu koncentrācijas vai magnētisko lauku izmaiņas, kā arī citu aktīvo molekulu klātbūtni.

Pati gaisma var mainīt molekulu konfigurāciju, pārslēdzot tās no vienas formas uz citu. Tas noved pie programmējamām nanostruktūrām ar formām, kuras var mainīt, saspiežot tās ar gaismu. Šīm molekulām ir milzīgs nanofotonisko shēmu un loģisko vārtu potenciāls.

Formu mainošās molekulas palielina citu ierīču izredzes. Dzīvās šūnas ir piepildītas ar molekulārām mašīnām, kas var staigāt pa šūnā esošajām struktūrām, piemēram, mikrotubulām. Šīs mašīnas ietver molekulāros motorus, piemēram, kinezīnu un dyneīnu.

Plazmoniskās struktūras, kas izgatavotas no zelta nanostieņiem, var mainīt formu līdzīgā veidā, ļaujot tām arī staigāt. Patiešām, Džou un kolēģi ir izveidojuši un pārbaudījuši šādus plazmoniskus staiguļus savā laboratorijā, izmantojot nanostieņus kā kājas.

Viņi saka, ka plazmoniskā gājēju sistēma sastāvēja no divslāņu DNS origami sliežu ceļa, zelta nanostieņa kā staiguļa un cita zelta nanostieņa kā statora.

Tas viss ir principiāls darbs ar aizraujošām izredzēm. Vīzija ir tāda, ka šīs mašīnas radīs jaunas paaudzes ļoti jutīgus bioloģiskos sensorus un izpildmehānismus, kas var pat darboties ķermeņa iekšienē. Tie var arī novest pie funkcionālām virsmām un ķēdēm ar īpašībām, kuras var ieslēgt un izslēgt ar gaismu. Ir daudz vietas izpētei, lai turpinātu virzīt šo aizraujošo daudznozaru jomu uz priekšu, saka Džou un citi.

Ir arī daudz izaicinājumu. Viena problēma ir tā, ka DNS struktūras ātri sadalās, tāpēc būs svarīgi atrast veidus, kā padarīt tās stabilākas. Vēl viens ir tas, ka kvantu efekti parādās, kad nanodaļiņas un nanostieņi ir novietoti ļoti tuvu viens otram. To raksturošana arī būs svarīga.

Un, lai gan lielākā daļa no šiem optiskajiem efektiem ir gaismas mijiedarbības ar metālu rezultāts, interesants jautājums ir par to, vai pašas DNS molekulas var mijiedarboties ar gaismu, un, ja tā, tad kā to var izmantot.

Gan bioķīmiķiem, gan fiziķiem, gan inženieriem tā ir joma, kurai jāseko līdzi.

Atsauce: arxiv.org/abs/1803.06753 : DNS nanotehnoloģiju iespējota hirālā plazmonika: no statiskas līdz dinamiskai

paslēpties