De raadselachtige Mobius-strip is al lang een object van fascinatie, verschijnen in tal van kunstwerken, meest bekende is een houtsnede van de Nederlander M.C. Escher, waarin een mierenstam de enkele van de vorm doorkruist, oneindige oppervlakte.

Wetenschappers van het Biodesign Institute van de Arizona State University en het Department of Chemistry and Biochemistry, geleid door Hao Yan en Yan Liu, hebben de vorm nu op opmerkelijk kleine schaal gereproduceerd, het samenvoegen van vlechtachtige DNA-segmenten om Möbius-structuren te creëren met een diameter van slechts 50 nanometer - ongeveer de breedte van een virusdeeltje.

Eventueel, onderzoekers hopen te profiteren van de unieke materiaaleigenschappen van dergelijke nano-architecturen, ze toepassen op de ontwikkeling van biologische en chemische detectieapparatuur, nanolithografie, mechanismen voor medicijnafgifte teruggebracht tot de moleculaire schaal en een nieuw soort nano-elektronica.

Het team gebruikte een veelzijdige constructiemethode die bekend staat als DNA-origami en in een dramatische uitbreiding van de techniek, (die ze DNA Kirigami noemen), ze snijden de resulterende Möbius-vormen over hun lengte om gedraaide ringstructuren en in elkaar grijpende lussen te produceren die bekend staan ​​​​als catenanen.

Hun werk verschijnt in het geavanceerde online nummer van het tijdschrift van vandaag Natuur Nanotechnologie . Afgestudeerde studenten die bij dit werk betrokken zijn, zijn onder meer Dongran Han en Suchetan Pal in de Yan-groep.

Een Möbius-strip maken in de dagelijkse wereld is eenvoudig. Knip een smalle strook papier, breng de twee uiteinden van de strip dicht bij elkaar zodat ze overeenkomen, maar draai ze een halve draai voordat u de uiteinden aan elkaar vastmaakt met een stukje plakband. De resulterende Möbius-strip, die slechts één oppervlak en één grensrand heeft, is een voorbeeld van een topologische vorm.

"Als nanoarchitecten, "Jan zegt, "we streven ernaar om twee klassen van structuur te creëren:geometrisch en topologisch." Geometrische structuren in twee en drie dimensies in overvloed in de natuurlijke wereld, van complexe kristalvormen tot zeesterren, en eencellige organismen zoals diatomeeën. Yan noemt zulke natuurlijke vormen als grenzeloze inspiratiebron voor door mensen ontworpen nanostructuren.

topologie, een tak van de wiskunde, beschrijft de ruimtelijke eigenschappen van vormen die kunnen worden gedraaid, uitgerekt of anderszins vervormd om nieuwe vormen op te leveren. Dergelijke vormvervormingen kunnen de geometrie van een object ingrijpend veranderen, zoals wanneer een donutvorm wordt samengeknepen en uitgerekt tot een acht, maar de oppervlaktetopologie van dergelijke vormen is onaangetast.

De natuur is ook rijk aan topologische structuren, Yan merkt op, waaronder de elegante Möbius. De circulaties van de warmere en koelere oceaanstromingen op aarde, bijvoorbeeld, een Möbius-vorm beschrijven. Andere topologische structuren zijn gebruikelijk in biologische systemen, vooral in het geval van DNA, waarvan de 3 miljard chemische basen zijn verpakt door het chromosoom in de cel, topologische structuren gebruiken. "Bij bacteriën, plasmide-DNA wordt in een supercoil gewikkeld, " legt Yan uit. "Dan kunnen de enzymen binnenkomen en de topologie doorsnijden en opnieuw configureren om de torsie in de supercoil te verlichten, zodat alle andere cellulaire machines toegang hebben tot het gen voor replicatie, transcriptie enzovoort."

Om de Möbius-strook in de huidige studie te vormen, de groep vertrouwde op eigenschappen van zelfassemblage die inherent zijn aan DNA. Een DNA-streng wordt gevormd uit combinaties van 4 nucleotidebasen, adenine (A), thymine (T), cytosine (C) en guanine (G), die elkaar op de streng volgen als kettingkralen. Deze nucleotidekorrels kunnen aan elkaar binden volgens een strikte regel:A gaat altijd gepaard met T, C met G. Dus, een seconde, complementaire DNA-streng bindt met de eerste om de dubbele DNA-helix te vormen.

In 2006, Paul Rothemund van Cal Tech toonde aan dat het proces van DNA-zelfassemblage kan worden gebruikt om vooraf ontworpen 2D-nanoarchitecturen van verbazingwekkende variëteit te produceren. Dus, DNA-origami kwam naar voren als een krachtig hulpmiddel voor het ontwerpen van nanostructuren. De methode is gebaseerd op een lange, enkelstrengs segment van DNA, gebruikt als een structurele steiger en geleid door basenparing om een ​​gewenste vorm aan te nemen. Kort, chemisch gesynthetiseerde "stapelstrengen, " bestaande uit complementaire basen worden gebruikt om de structuur op zijn plaats te houden.

Na synthese en vermenging van DNA-nietjes en steigerstrengen, de structuur kan in één stap zelf worden geassembleerd. De techniek is gebruikt om opmerkelijke nanostructuren van smileygezichten te produceren, vierkanten, schijven, geografische kaarten, en zelfs woorden, op een schaal van 100 nm of minder. Maar de creatie van topologische vormen die in staat zijn te herconfigureren, zoals die door de natuur worden geproduceerd, uitdagender is gebleken.

Toen de kleine Möbius-structuren eenmaal waren gemaakt, ze werden onderzocht met atomaire kracht- en transmissie-elektronenmicroscopie. De opzienbarende beelden bevestigen dat het DNA-origamiproces efficiënt Escher-achtige Möbius-strips produceerde die minder dan een duizendste van de breedte van een mensenhaar waren. Yan merkt op dat de Möbius-vormen zowel rechts- als linkshandige wendingen vertoonden. Door middel van beeldvorming kon de handigheid of chiraliteit van elke afgeplatte nanostructuur worden bepaald, gebaseerd op de waargenomen hoogteverschillen op de overlappende gebieden.

Volgende, het team demonstreerde de topologische flexibiliteit van de geproduceerde Möbius-vormen, met behulp van een vouw- en snijtechniek of DNA Kirigami-techniek. De Möbius kan worden aangepast door op verschillende plaatsen langs de lengte van de strook te snijden. Het snijden van een Möbius langs zijn middellijn levert een nieuwe structuur op:een lusvorm met een draaiing van 720 graden of 4 halve draaien. Het ontwerp, die de groep een Kirigami-ring noemt, is niet langer een Möbius omdat deze twee randen en twee oppervlakken heeft. De Möbius kan ook over de lengte een derde van de breedte worden ingekort, het produceren van een Kirigami-Catenane - een Möbius-strip die is verbonden met een supercoiled ring.

Om de Möbius nanostructuren nauwkeurig te snijden, een techniek die bekend staat als strandverplaatsing werd gebruikt, waarin de DNA-nietjes die de centrale helix op zijn plaats houden, zijn uitgerust met zogenaamde teen-hold-strengen die uitsteken uit de centrale helix. Een complementaire streng bindt aan het teenhold-segment, de nietjes verwijderen en de Möbius open laten vallen in de Kirigami-Ring of Kirigami-Catenane.

Opnieuw, de succesvolle synthese van deze vormen werd bevestigd door microscopie, met de Kirigami-Ring-structuren die geleidelijk ontspannen in achten.

Yan benadrukt dat het succes van de nieuwe studie sterk afhankelijk was van het opmerkelijke gevoel van driedimensionale ruimte van hoofdauteur Dongran Han, waardoor hij geometrische en topologische structuren in zijn hoofd kon ontwerpen. "Han en ook Pal zijn bijzonder briljante studenten, "Jan zegt, erop wijzend dat de complexe conceptualisering van de nanoarchitecturen in hun onderzoek voornamelijk wordt uitgevoerd zonder computerhulp. De groep hoopt in de toekomst software te maken die het proces kan vereenvoudigen.

"We willen de Origami-Kirigami-technologie pushen om meer geavanceerde structuren te creëren om aan te tonen dat we elke willekeurige vorm of topologie kunnen maken met behulp van zelfassemblage, "zegt Han.

Doorgedrongen in de beeldhouwkunst, schilderen en zelfs literatuur, (bijzonder, de romans van de Franse auteur Alain Robbe-Grillet), topologische structuren zijn nu klaar om wetenschappelijke ontwikkelingen op de kleinste schaal te beïnvloeden.