DNR galėtų nanodaleles paversti medžiagomis, kurios naujais būdais manipuliuoja šviesa

Kai ilga DNR grandinė sumaišoma su trumpesnėmis sruogomis, skirtomis tam tikrose vietose prisitvirtinti prie ilgesnio gabalo, šios trumpesnės grandinės gali veikti kaip jungiantys statramsčiai, sujungiantys ilgesnės grandinės dalis ir priversdami ją savaime susijungti į trimatę grandinę. figūra.

Biochemikai naudojo šį DNR origami kurdami sudėtingas formas, įskaitant kubus, veidukus ir net apytikslius Kinijos ir Amerikos žemėlapius.

Bet tai tik pradžia. DNR origami gali sukurti daugybę molekulinės skalės prietaisų. Biochemikai pradėjo žaisti su dirbtiniais fermentais, vaistų tiekimo sistemomis ir galbūt net nanobotais, galinčiais tyrinėti kūną.

Fizikai taip pat pradėjo tyrinėti technologijos potencialą. Šiandien Chao Zhou iš Maxo Plancko intelektualių sistemų instituto Vokietijoje ir pora kolegų apžvelgia, kaip DNR origami gali sukurti egzotiškas metamedžiagas, kurios manipuliuoja šviesa taip, kaip neįmanoma naudojant įprastines medžiagas. Jie taip pat parodo, kaip sukurti formą keičiančias DNR struktūras, kurios gali veikti kaip jungikliai ir netgi vaikščioti paviršiais.

Pastaraisiais metais fizikai pradėjo nuodugniai tyrinėti, kaip fotonai sąveikauja su metalų laidininkų elektronų jūra. Fotonai, kurie atsitrenkia į šį plazmoninį vandenyną, sukuria bangas jo paviršiuje, kaip asteroido smūgis į Žemės vandenynus.

Šios bangos neša informaciją, kuria galima manipuliuoti įvairiais būdais. Plazmoninis vandenynas gali ne tik sugerti šviesą, bet ir jį išsklaidyti ir perduoti į jį informaciją.

Taigi nesunku suprasti, kodėl plazmonika yra įdomi besiformuojanti informacijos apdorojimo ir komunikacijos disciplina. Tačiau tai vis dar tik pradeda vystytis dėl daugybės iššūkių, iš kurių ne mažiau svarbus yra nanometrų skalė, kurioje jis atsiranda. Tokio masto metalo konstrukcijų kūrimas ir manipuliavimas yra sunkus.

Čia pradeda žaisti DNR origami. Idėja yra pritvirtinti metalines nanodaleles arba nanostūmoklius prie DNR grandinės ir tada surinkti ją į tam tikrą formą, kuri pritvirtintų nanodaleles į vietą.

Įvairios grupės, įskaitant Zhou ir co, tai padarė naudodamos aukso nanodaleles ir nanorodelius, pritvirtintus prie DNR vamzdelių, kad sukurtų spiralines struktūras. Tada jie susuka šiuos vamzdelius į žiedus.

Kadangi sraigtai gali būti dešiniarankiai arba kairiarankiai, jie skirtingai sąveikauja su žiedine poliarizuota šviesa. Ir tai suteikia galimybę pasirinktinai juos apklausti.

Šie žiedai pasižymi labai specifinėmis optinėmis savybėmis, pavyzdžiui, geba sąveikauti su šviesa, poliarizuota viena ar kita kryptimi. Be to, nedideli jų formos pokyčiai gali smarkiai pakeisti šias savybes, nes jie priverčia nanodaleles arčiau arba toliau vienas nuo kito.

Kadangi daugelis molekulių yra tirpale, komanda gali stebėti šiuos pokyčius analizuodama šviesą, kai ji praeina. Pavyzdžiui, pakeitus pH, pasikeičia molekulių struktūra taip, kad gali pasikeisti tirpalo lūžio rodiklis. Lygiai taip pat šios struktūros gali jausti temperatūros, jonų koncentracijos ar magnetinių laukų pokyčius, taip pat kitų aktyvių molekulių buvimą.

Pati šviesa gali pakeisti molekulių konfigūraciją, pakeisdama jas iš vienos formos į kitą. Tai veda prie programuojamų nanostruktūrų su formomis, kurias galima pakeisti apšviečiant jas šviesa. Šios molekulės turi didžiulį nanofotoninių grandinių ir loginių vartų potencialą.

Formą keičiančios molekulės padidina kitų prietaisų perspektyvą. Gyvos ląstelės užpildytos molekulinėmis mašinomis, kurios gali vaikščioti ląstelėje esančiomis struktūromis, tokiomis kaip mikrovamzdeliai. Šios mašinos apima molekulinius variklius, tokius kaip kinezinas ir dyneinas.

Plazmoninės struktūros, pagamintos iš auksinių nanostiebelių, gali keisti formą panašiai, todėl jos taip pat gali vaikščioti. Iš tiesų, Zhou ir bendradarbiai sukūrė ir išbandė tokius plazmoninius vaikštynus savo laboratorijoje, naudodami nanorodelius kaip kojas.

Pasak jų, plazmoninę vaikštynės sistemą sudarė dvisluoksnis DNR origami takelis, auksinis nanorodelis kaip vaikštynė ir kitas auksinis nanorodelis kaip statorius.

Visa tai yra principo įrodymas su įdomiomis perspektyvomis. Vizija yra tokia, kad šios mašinos sukurs naujos kartos labai jautrius biologinius jutiklius ir pavaras, kurie netgi gali veikti kūno viduje. Jie taip pat gali sukelti funkcinius paviršius ir grandines, kurių savybes galima įjungti ir išjungti naudojant šviesą. Yra daug erdvės tyrinėjimams, siekiant toliau tobulinti šią įdomią daugiadisciplinę sritį, sako Zhou ir kt.

Taip pat yra daug iššūkių. Viena iš problemų yra ta, kad DNR struktūros greitai suyra, todėl bus svarbu rasti būdų, kaip padaryti jas stabilesnes. Kitas dalykas yra tai, kad kvantiniai efektai atsiranda tada, kai nanodalelės ir nanorodeliai yra labai arti vienas kito. Taip pat bus svarbu juos apibūdinti.

Ir nors dauguma šių optinių efektų yra šviesos sąveikos su metalu rezultatas, įdomus klausimas yra tai, ar pačios DNR molekulės gali sąveikauti su šviesa ir, jei taip, kaip tai galima išnaudoti.

Biochemikams, fizikams ir inžinieriams tai yra sritis, kurią reikia stebėti.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1803.06753 : Chiralinė plazmonika su DNR nanotechnologijomis: nuo statinės iki dinaminės

paslėpti