Nanomachines kunnen in de toekomst verschillende taken overnemen. Op een dag kunnen ze misschien medisch precisiewerk in het menselijk lichaam uitvoeren of helpen bij het analyseren van ziekteverwekkers en verontreinigende stoffen in mobiele laboratoria. Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart hebben nu een mogelijk onderdeel gepresenteerd waarmee een dergelijke machine specifiek kan worden verplaatst en bestuurd. Ze hebben een nanoplasmonisch systeem ontwikkeld in de vorm van een schaar die ze met UV-licht kunnen openen. Zodra ze de nanostructuur bestralen met zichtbaar in plaats van UV-licht, het gaat weer dicht. De onderzoekers kunnen de structurele veranderingen waarnemen met behulp van gouddeeltjes die ze met het licht prikkelen.

Dierlijke en plantaardige cellen, evenals bacteriën slaan de informatie over hun volledige structuur en alle vitale processen op in hun DNA. Bij nanotechnologie is het is niet het vermogen van DNA om de genetische samenstelling te dragen die wetenschappers gebruiken, maar zijn elastische structuur. Hierdoor kunnen ze onderdelen van kleine machines bouwen, zoals motoren en ander gereedschap.

Om complete nanomachines te kunnen ontwerpen, echter, wetenschappers moeten stap voor stap mogelijke subeenheden van een machine ontwerpen en verder ontwikkelen. Onderzoekers van het Max Planck Institute for Intelligent Systems hebben nu samen met collega's uit Japan en de VS een structuur ontwikkeld van DNA die zou kunnen dienen als bewegende componenten van een nanomotor of nano-versnellingsbak. Als de twee bladen van een schaar, ze hebben twee DNA-bundels verbonden door een soort scharnier. Elke bundel is slechts 80 nanometer lang en bestaat elk uit 14 strengen opgerold DNA die evenwijdig aan elkaar liggen. aanvankelijk, de beweging van de schaarachtige nanostructuur wordt geblokkeerd door een soort chemisch hangslot gemaakt van azobenzenen, die kan worden geopend door UV-licht.

Het chemische hangslot wordt geopend door licht

De azobenzeencomponenten zijn elk verbonden met een DNA-draad die uit elke bundel steekt. Bij zichtbaar licht, de azobenzeenresten krijgen een structuur waardoor de uitstekende DNA-strengen van de twee bundels met elkaar kunnen verbinden - de twee bundels liggen heel dicht bij elkaar. Echter, zodra de onderzoekers het DNA-azobenzeencomplex met UV-licht prikkelen, het azobenzeen verandert van structuur. Dit leidt ertoe dat de twee losse DNA-uiteinden scheiden en het scharnier binnen enkele minuten openklikt. Het licht werkt dus, in zekere zin, als een smeermiddel voor de beweging. Zodra het UV-licht wordt uitgeschakeld, het azobenzeen verandert weer van structuur, en de twee DNA-uiteinden sluiten weer aan:het nanosysteem sluit zich. "Als we een machine willen ontwikkelen, het moet niet alleen in één richting werken, het moet omkeerbaar zijn, " zegt Laura Na Liu, die een onderzoeksgroep leidt aan het Max Planck Instituut in Stuttgart. De DNA-bundels bewegen hier niet omdat het licht verandert of omdat het azobenzeen van structuur verandert, maar alleen vanwege de Brownse moleculaire beweging.

De onderzoekers kunnen live observeren hoe de nanostructuur opent en sluit. Hiertoe, ze hebben de DNA-nanotechnologie gekoppeld aan zogenaamde nanoplasmonics:een onderzoeksveld dat zich bezighoudt met de oscillaties van elektronen – zogenaamde plasmons – aan een metalen oppervlak. De plasmonen kunnen ontstaan ​​wanneer licht op een metaaldeeltje valt, en laat een karakteristieke handtekening achter in passend licht.

Kleine gouden staafjes geven informatie over de openingsstatus

De onderzoeksgroep onder leiding van Laura Na Liu heeft deze plasmonen gegenereerd op twee kleine goudstaafjes, elk zittend op een van de twee bundels DNA. Met behulp van de analogie van de schaar, deze twee gouddeeltjes liggen elk aan de buitenkant van een schaarblad en kruisen elkaar als de DNA-bundels bij het scharnier van de schaar. De lichtexcitatie zorgt ervoor dat niet alleen het moleculaire hangslot dat de twee DNA-bundels aan elkaar bevestigt, openspringt, plasmonen op de gouddeeltjes beginnen ook te oscilleren. Wanneer de schaarachtige structuur opent, de hoek tussen de twee goudstaven verandert ook, wat een effect heeft op de plasmonen. De onderzoekers kunnen deze veranderingen spectroscopisch waarnemen door het nanosysteem te bestralen met licht met geschikte eigenschappen en te meten hoe het verandert. Zo kunnen ze zelfs de hoek tussen de DNA-bundels bepalen.

"We zijn er voor het eerst in geslaagd een nanoplasmonisch systeem met licht te besturen. En dit was precies onze motivatie, ", zegt Laura Na Liu. De onderzoeker en haar collega's hadden eerder gewerkt aan nanosystemen die chemisch kunnen worden gecontroleerd. de chemische controles zijn niet zo schoon en laten resten achter in het systeem.

Laura Na Liu heeft al een toepassing in gedachten voor het lichtgestuurde schaarontwerp. Het systeem zou kunnen dienen als een hulpmiddel om de rangschikking van nanodeeltjes te regelen. "Omdat de hoek tussen de twee DNA-bundels kan worden gecontroleerd, het biedt de mogelijkheid om de relatieve positie van nanodeeltjes in de ruimte te veranderen, " zegt Laura Na Liu. Bovendien, de wetenschappers beschouwen het huidige werk als een opstap naar een nanomachine. Het nanoplasmonische systeem zou deel kunnen uitmaken van zo'n machine.