DNA-structuren gebruiken als steigers, Tim Liedl, een wetenschapper van de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München, heeft aangetoond dat nauwkeurig gepositioneerde gouden nanodeeltjes kunnen dienen als efficiënte energietransmitters.

Sinds de start van het vakgebied in 2006, laboratoria over de hele wereld hebben het gebruik van 'DNA-origami' voor de assemblage van complexe nanostructuren onderzocht. De methode is gebaseerd op DNA-strengen met gedefinieerde sequenties die interageren via gelokaliseerde basenparing. "Met behulp van korte strengen met passende sequenties, we kunnen specifieke regio's van lange DNA-moleculen met elkaar verbinden, zoals het vormen van driedimensionale structuren door een plat vel papier op bepaalde manieren te vouwen, " zoals professor Tim Liedl van de Faculteit der Natuurkunde van de LMU uitlegt.

Afbeelding en spiegelbeeld

Liedl heeft nu DNA-origami gebruikt om chirale objecten te construeren, d.w.z. structuren die niet kunnen worden gesuperponeerd door een combinatie van rotatie en translatie. In plaats daarvan bezitten ze 'handigheid', en zijn spiegelbeelden van elkaar. Dergelijke paren verschillen vaak in hun fysieke eigenschappen, bijvoorbeeld, in de mate waarin ze gepolariseerd licht absorberen. Dit effect kan op vele manieren worden benut. Bijvoorbeeld, het is de basis voor CD-spectroscopie (de 'CD' staat hier voor 'circulair dichroïsme'), een techniek die wordt gebruikt om de algehele ruimtelijke configuratie van chemische verbindingen op te helderen, en zelfs hele eiwitten.

Met het oog op het assembleren van chirale metalen structuren, Liedl en zijn groep synthetiseerden complexe DNA-origami-structuren die nauwkeurig gepositioneerde bindingsplaatsen bieden voor de aanhechting van sferische en staafvormige gouden nanodeeltjes. De scaffold dient daarom als een sjabloon of mal voor het plaatsen van nanodeeltjes op vooraf bepaalde posities en in een gedefinieerde ruimtelijke oriëntatie. "Men kan een chiraal object samenstellen uitsluitend op basis van de rangschikking van de gouden nanodeeltjes, " zegt Liedl

Goud is niet alleen chemisch robuust, als edelmetaal vertoont het zogenaamde oppervlakteplasmonresonanties. Plasmonen zijn coherente elektronenoscillaties die worden gegenereerd wanneer licht interageert met het oppervlak van een metalen structuur. "Je kunt je deze trillingen voorstellen als de golven die worden opgewekt wanneer een fles water evenwijdig aan of haaks op zijn lange as wordt geschud, ', zegt Liedl.

Gouden nanodeeltjes als energiezenders

Oscillaties die worden opgewekt in ruimtelijk aaneengesloten gouddeeltjes kunnen aan elkaar koppelen, en de plasmonen in Liedl's experimenten gedragen zich als beeld en spiegelbeeld, dankzij hun chirale dispositie op de origami-steiger. "Dit wordt bevestigd door onze CD-spectroscopische metingen, " zegt Liedl. In de experimenten, de chirale structuren worden bestraald met circulair gepolariseerd licht en het absorptieniveau wordt gemeten als een percentage van de input. Hierdoor kunnen rechts- en linkshandige arrangementen van elkaar worden onderscheiden.

In principe, twee gouden nanostaafjes zouden voldoende moeten zijn voor de constructie van een chiraal object, omdat ze kunnen worden gerangschikt in de vorm van een L of een omgekeerde L. Echter, de staven die in de experimenten werden gebruikt, lagen relatief ver uit elkaar (op nanoschaal) en de plasmonen die in de ene werden geëxciteerd, hadden weinig effect op die in de andere, d.w.z. de twee zijn nauwelijks aan elkaar gekoppeld. Maar Liedl en zijn collega's hadden een trucje in petto. Door een passend herontwerp van de origamistructuur, ze waren in staat om een ​​gouden nanosfeer tussen het paar L-vormige staafjes te plaatsen, waardoor de koppeling effectief werd versterkt. CD-spectroscopie onthulde de aanwezigheid van energietransities, daarmee de hypothese bevestigend die het team uit simulaties had afgeleid.

Liedl ziet twee mogelijke instellingen waarin deze nanostructuren praktische toepassing kunnen vinden. Ze kunnen worden gebruikt om virussen te detecteren, omdat de binding van virale nucleïnezuren aan een gouddeeltje het CD-signaal zal versterken. In aanvulling, chirale plasmonische zenders zouden kunnen dienen als modelschakelapparaten in optische computers, waarin optische elementen de transistors vervangen die de werkpaarden zijn van elektronische computers.