Den gåtfulla Mobius-remsan har länge varit föremål för fascination, förekommer i många konstverk, mest känt ett träsnitt av holländaren M.C. Escher, där en stam av myror korsar formens singel, oändlig yta.

Forskare vid Biodesign Institute vid Arizona State University och Institutionen för kemi och biokemi, leds av Hao Yan och Yan Liu, har nu återskapat formen i en anmärkningsvärt liten skala, sammanfoga flätliknande segment av DNA för att skapa Möbius-strukturer som mäter bara 50 nanometer i diameter - ungefär bredden på en viruspartikel.

Så småningom, forskare hoppas kunna dra nytta av de unika materialegenskaperna hos sådana nanoarkitekturer, tillämpa dem på utvecklingen av biologiska och kemiska avkänningsanordningar, nanolitografi, mekanismer för läkemedelstillförsel nedjusterade till molekylär skala och en ny sort av nanoelektronik.

Teamet använde en mångsidig konstruktionsmetod känd som DNA-origami och i en dramatisk förlängning av tekniken, (som de refererar till som DNA Kirigami), de skär de resulterande Möbius-formerna längs deras längd för att producera vridna ringstrukturer och sammankopplade öglor som kallas katenaner.

Deras arbete visas i dagens avancerade onlinenummer av tidskriften Naturens nanoteknik . Doktorander som är involverade i detta arbete inkluderar Dongran Han och Suchetan Pal i Yan-gruppen.

Att göra en Möbiusremsa i vardagen är enkelt. Klipp en smal pappersremsa, för de två ändarna av remsan nära varandra så att de matchar, men ge dem en halvvridning innan du fäster ihop ändarna med en bit tejp. Den resulterande Möbius-remsan, som bara har en yta och en gränskant, är ett exempel på en topologisk form.

"Som nanoarkitekter, " Yan säger, "vi strävar efter att skapa två klasser av struktur - geometriska och topologiska." Geometriska strukturer i två och tre dimensioner finns i överflöd i den naturliga världen, från komplexa kristallformer till sjöstjärnor, och encelliga organismer som kiselalger. Yan nämner sådana naturliga former som en gränslös inspirationskälla för mänskligt utformade nanostrukturer.

Topologi, en gren av matematiken, beskriver de rumsliga egenskaperna hos former som kan vridas, sträckt eller på annat sätt deformerats för att ge nya former. Sådana formdeformationer kan avsevärt förändra ett föremåls geometri, som när en munkform nypas och sträcks ut till en åttasiffra, men yttopologin för sådana former är opåverkad.

Naturen är också rik på topologiska strukturer, Yan noterar, inklusive eleganta Möbius. Cirkulationerna av jordens varmare och kallare havsströmmar till exempel, beskriv en Möbiusform. Andra topologiska strukturer är gemensamma för biologiska system, särskilt när det gäller DNA, vars 3 miljarder kemiska baser packas av kromosomen inuti cellen, använda topologiska strukturer. "I bakterier, plasmid-DNA lindas in i en superspiral, " Yan förklarar. "Då kan enzymerna komma in och skära och omkonfigurera topologin för att lindra vridningen i superspolen så att alla andra cellulära maskineri kan få tillgång till genen för replikering, transkription och så vidare."

För att bilda Möbiusremsan i den aktuella studien, gruppen förlitade sig på egenskaper hos självmontering inneboende i DNA. En DNA-sträng bildas av kombinationer av 4 nukleotidbaser, adenin (A), tymin (T), cytosin (C) och guanin (G), som följer varandra på strängen som halsbandspärlor. Dessa nukleotidpärlor kan binda till varandra enligt en strikt regel:A paras alltid med T, C med G. Alltså, en sekund, komplementär DNA-sträng binder med den första för att bilda DNA-dubbelhelixen.

Under 2006, Paul Rothemund på Cal Tech visade att processen för självmontering av DNA kunde användas för att producera fördesignade 2D nanoarkitekturer av häpnadsväckande variation. Således, DNA-origami dök upp som ett kraftfullt verktyg för nanostrukturdesign. Metoden bygger på en lång, enkelsträngat DNA-segment, används som en strukturell ställning och styrs genom baspar för att anta en önskad form. Kort, kemiskt syntetiserade "stapelsträngar, " sammansatt av kompletterande baser används för att hålla strukturen på plats.

Efter syntes och blandning av DNA-häftklamrar och ställningssträngar, strukturen kan självmontera i ett enda steg. Tekniken har använts för att producera anmärkningsvärda nanostrukturer av smileys, rutor, diskar, geografiska kartor, och till och med ord, i en skala av 100 nm eller mindre. Men skapandet av topologiska former som kan omkonfigureras, som de som produceras av naturen, har visat sig vara mer utmanande.

När de små Möbius-strukturerna väl hade skapats, de undersöktes med atomkraft- och transmissionselektronmikroskopi. De häpnadsväckande bilderna bekräftar att DNA-origamiprocessen effektivt producerade Escher-liknande Möbius-remsor som mätte mindre än en tusendel av ett människohårs bredd. Yan noterar att Möbius-formerna visade både höger- och vänsterhänta vridningar. Avbildning gjorde det möjligt att bestämma handigheten eller kiraliteten hos varje tillplattad nanostruktur, baserat på de höjdskillnader som observerats vid de överlappande områdena.

Nästa, teamet visade den topologiska flexibiliteten hos de producerade Möbius-formerna, med hjälp av en viknings- och skärnings- eller DNA Kirigami-teknik. Möbius kan modifieras genom att skära längs med remsan på olika ställen. Att skära en Möbius längs dess mittlinje ger en ny struktur - en ögla form som innehåller en vridning på 720 grader eller 4 halva vridningar. Designen, som gruppen kallar en Kirigami-Ring är inte längre en Möbius då den har två kanter och två ytor. Möbius kan också skäras längs med sin längd en tredjedel av vägen till dess bredd, producerar en Kirigami-Catenane - en Möbius-remsa sammanlänkad med en superlindad ring.

För att exakt skära Möbius nanostrukturer, en teknik känd som strängförskjutning användes, där DNA-häftklamrarna som håller den centrala helixen på plats är utrustade med så kallade tåhållningssträngar som sticker ut från den centrala helixen. En komplementär tråd binder till tåhållssegmentet, ta bort häftklamrarna och låta Möbiusen falla öppen i antingen Kirigami-Ringen eller Kirigami-Catenane.

På nytt, den framgångsrika syntesen av dessa former bekräftades genom mikroskopi, med Kirigami-ringens strukturer som gradvis slappnar av till åtta.

Yan betonar att framgången för den nya studien till stor del berodde på huvudförfattaren Dongran Hans anmärkningsvärda känsla av tredimensionell rymd, låter honom designa geometriska och topologiska strukturer i sitt huvud. "Han och även Pal är särskilt lysande studenter, " Yan säger, påpekar att den komplexa konceptualiseringen av nanoarkitekturerna i deras forskning i första hand utförs utan datorhjälp. Gruppen hoppas i framtiden kunna skapa mjukvara som kan förenkla processen.

"Vi vill driva på Origami-Kirigami-teknologin för att skapa mer sofistikerade strukturer för att visa att vi kan göra vilken godtycklig form eller topologi som helst med hjälp av självmontering, " säger Han.

Efter att ha gjort intåg i skulptur, måleri och till och med litteratur, (särskilt, den franske författaren Alain Robbe-Grillets romaner), topologiska strukturer är nu redo att påverka den vetenskapliga utvecklingen i minsta skala.