Il DNA potrebbe organizzare le nanoparticelle in materiali che manipolano la luce in modi nuovi

Quando un lungo filamento di DNA viene mescolato con filamenti più corti progettati per attaccarsi al pezzo più lungo in punti specifici, questi filamenti più corti possono agire come puntoni di collegamento che collegano insieme parti del filamento più lungo, costringendolo ad autoassemblarsi in un tridimensionale forma.

I biochimici hanno utilizzato questo origami del DNA per creare forme complesse, inclusi cubi, faccine sorridenti e persino mappe approssimative della Cina e delle Americhe.

Ma questo è solo l'inizio. L'origami del DNA ha il potenziale per realizzare un'ampia gamma di dispositivi su scala molecolare. I biochimici hanno iniziato a giocare con enzimi artificiali, sistemi di somministrazione di farmaci e forse anche nanobot in grado di esplorare il corpo.

Anche i fisici hanno iniziato a esplorare il potenziale della tecnologia. Oggi Chao Zhou del Max Planck Institute for Intelligent Systems in Germania e un paio di colleghi esaminano il modo in cui gli origami di DNA possono creare metamateriali esotici che manipolano la luce in modi non possibili con i materiali convenzionali. Mostrano anche come creare strutture di DNA che cambiano forma che possono fungere da interruttori e possono persino camminare sulle superfici.

Negli ultimi anni, i fisici hanno iniziato a studiare in dettaglio il modo in cui i fotoni interagiscono con il mare di elettroni nei conduttori metallici. I fotoni che si schiantano in questo oceano plasmonico creano onde sulla sua superficie, come l'impatto di un asteroide negli oceani della Terra.

Queste onde trasportano informazioni che possono essere manipolate in vari modi. Oltre ad assorbire la luce, l'oceano plasmonico può disperderla e trasferirvi informazioni.

Quindi non è difficile capire perché la plasmonica è un'entusiasmante disciplina emergente per l'elaborazione e la comunicazione delle informazioni. Ma è ancora agli inizi a causa di una serie di sfide, non ultima la scala nanometrica su cui si verifica. Creare e manipolare strutture metalliche su questa scala è difficile.

Ed è qui che entra in gioco l'origami del DNA. L'idea è di attaccare nanoparticelle metalliche o nanobarre a un filamento di DNA e quindi assemblarlo in una forma specifica che ancora le nanoparticelle in posizione.

Vari gruppi, tra cui Zhou e colleghi, lo hanno fatto utilizzando nanoparticelle d'oro e nanobarre fissate a tubi di DNA per creare strutture elicoidali. Quindi arrotolano questi tubi in anelli.

Poiché le eliche possono essere destrorse o mancine, interagiscono con la luce polarizzata circolarmente in modi diversi. E questo fornisce un modo per interrogarli selettivamente.

Questi anelli hanno proprietà ottiche molto specifiche, come la capacità di interagire con la luce polarizzata in una direzione o nell'altra. Inoltre, piccoli cambiamenti nella loro forma possono cambiare drasticamente queste proprietà, perché forzano le nanoparticelle più vicine o più distanti.

Con molte delle molecole in soluzione, il team può monitorare questi cambiamenti analizzando la luce mentre passa. Ad esempio, la modifica del pH altera la struttura delle molecole in un modo che può modificare l'indice di rifrazione della soluzione. Allo stesso modo, queste strutture possono rilevare variazioni di temperatura, concentrazione di ioni o campi magnetici, nonché la presenza di altre molecole attive.

La luce stessa può cambiare la configurazione delle molecole, spostandole da una forma all'altra. Ciò porta a nanostrutture programmabili con forme che possono essere modificate zappandole con la luce. Queste molecole hanno un enorme potenziale per i circuiti nanofotonici e le porte logiche.

Le molecole che cambiano forma aumentano la prospettiva di altri dispositivi. Le cellule viventi sono piene di macchine molecolari che possono camminare lungo le strutture all'interno della cellula, come i microtubuli. Queste macchine includono motori molecolari come la chinesina e la dineina.

Le strutture plasmoniche fatte di nanobarre d'oro possono cambiare forma in modo simile, consentendo anche loro di camminare. In effetti, Zhou e colleghi hanno creato e testato tali camminatori plasmonici nel loro laboratorio usando nanorod come gambe.

Il sistema del camminatore plasmonico consisteva in una traccia di origami di DNA a doppio strato, un nanorod d'oro come camminatore e un altro nanorod d'oro come statore, dicono.

Tutto questo è un lavoro a prova di principio con prospettive entusiasmanti. La visione è che queste macchine porteranno a una nuova generazione di sensori e attuatori biologici estremamente sensibili che potrebbero anche essere in grado di funzionare all'interno del corpo. Potrebbero anche portare a superfici e circuiti funzionali con proprietà che possono essere attivate e disattivate con la luce. C'è molto spazio per le esplorazioni per far avanzare ulteriormente questo entusiasmante campo multidisciplinare, affermano Zhou e co.

Ci sono anche molte sfide. Un problema è che le strutture del DNA si rompono rapidamente, quindi sarà importante trovare modi per renderle più stabili. Un altro è che gli effetti quantistici entrano in gioco quando nanoparticelle e nanorod sono posizionati molto vicini l'uno all'altro. Anche caratterizzare questi sarà importante.

E mentre la maggior parte di questi effetti ottici sono il risultato dell'interazione della luce con il metallo, una domanda interessante è se le stesse molecole di DNA possono interagire con la luce e, in tal caso, come sfruttarla.

Per biochimici, fisici e ingegneri allo stesso modo, è un campo da tenere d'occhio.

Rif: arxiv.org/abs/1803.06753 : Plasmonica chirale abilitata alla nanotecnologia del DNA: da statica a dinamica

nascondere