Nanomaskiner kan ta över en mängd olika uppgifter i framtiden. En dag kanske de kan utföra medicinskt precisionsarbete i människokroppen eller hjälpa till att analysera patogener och föroreningar i mobila laboratorier. Forskare vid Max Planck-institutet för intelligenta system i Stuttgart har nu presenterat en möjlig komponent som kan användas för att specifikt flytta och styra en sådan maskin. De har utvecklat ett nanoplasmoniskt system i form av en sax som de kan öppna med hjälp av UV-ljus. Så snart de bestrålar nanostrukturen med synligt istället för UV-ljus, den stängs igen. Forskarna kan observera de strukturella förändringarna med hjälp av guldpartiklar som de exciterar med ljuset.

Djur- och växtceller, såväl som bakterier lagrar informationen om sin fullständiga struktur och alla vitala processer i sitt DNA. Inom nanoteknik, det är inte DNA:s förmåga att bära den genetiska sammansättningen som forskare använder, men dess elastiska struktur. Detta gör att de kan bygga komponenter till små maskiner, såsom motorer och andra verktyg.

För att kunna designa kompletta nanomaskiner, dock, forskare måste designa och vidareutveckla möjliga underenheter av en maskin steg för steg. Forskare från Max Planck Institute for Intelligent Systems har nu tillsammans med kollegor från Japan och USA utvecklat en struktur gjord av DNA som kan fungera som rörliga komponenter i en nanomotor eller nanoväxellåda. Som de två bladen på en sax, de har två DNA-buntar sammankopplade med en typ av gångjärn. Varje bunt är bara 80 nanometer lång och var och en består av 14 strängar av upprullat DNA som ligger parallellt med varandra. Initialt, rörelsen hos den saxliknande nanostrukturen blockeras av en typ av kemiskt hänglås gjord av azobensener, som kan öppnas med UV-ljus.

Det kemiska hänglåset öppnas av ljus

Azobensenkomponenterna är var och en förbundna med en DNA-tråd som sticker ut från varje bunt. I synligt ljus, azobensenresterna antar en struktur som gör att de utskjutande DNA-strängarna i de två buntarna kan länka samman med varandra – de två buntarna ligger mycket nära varandra. Dock, så snart forskarna exciterar DNA-azobensenkomplexet med UV-ljus, azobensen ändrar sin struktur. Detta leder till att de två lösa DNA-ändarna separeras och gångjärnet öppnas inom bara några minuter. Ljuset verkar därför, på sätt och vis, som ett smörjmedel för rörelsen. Så snart UV-ljuset släcks, azobensen ändrar sin struktur igen, och de två DNA-ändarna länkar samman igen:nanosystemet stängs. "När vi vill utveckla en maskin, det måste fungera inte bara i en riktning, det måste vara reversibelt, " säger Laura Na Liu, som leder en forskargrupp vid Max Planck-institutet i Stuttgart. DNA-knippena här rör sig inte för att ljuset förändras eller för att azobensenen ändrar sin struktur, men bara på grund av Browns molekylära rörelse.

Forskarna kan live observera hur nanostrukturen öppnar och stängs. För detta ändamål, de har kopplat ihop DNA-nanotekniken med så kallad nanoplasmonik:ett forskningsfält som handlar om elektronernas svängningar – så kallade plasmoner – vid en metallyta. Plasmonerna kan uppstå när ljus träffar en metallpartikel, och lämna efter sig en karakteristisk signatur i lämpligt ljus.

Små guldstavar ger information om öppningsläget

Forskningsgruppen ledd av Laura Na Liu har genererat dessa plasmoner på två små guldstavar, var och en sitter på en av de två DNA-buntarna. Med hjälp av analogin med saxen, dessa två guldpartiklar ligger var och en på utsidan av ett saxblad och korsar som DNA-knippena vid saxens gångjärn. Ljusexcitationen gör att inte bara det molekylära hänglåset som fixerar de två DNA-knippena öppnas, plasmoner på guldpartiklarna börjar också svänga. När den saxliknande strukturen öppnas, vinkeln mellan de två guldstavarna ändras också, vilket har en effekt på plasmonerna. Forskarna kan observera dessa förändringar spektroskopiskt genom att bestråla nanosystemet med ljus med lämpliga egenskaper och mäta hur det förändras. De kan alltså till och med bestämma vinkeln mellan DNA-buntarna.

"Vi har för första gången lyckats kontrollera ett nanoplasmoniskt system med ljus. Och detta var just vår motivation, " säger Laura Na Liu. Forskaren och hennes kollegor hade tidigare arbetat med nanosystem som kan kontrolleras kemiskt. de kemiska kontrollerna är inte lika rena och lämnar rester i systemet.

Laura Na Liu har redan en applikation i åtanke för den ljusstyrda saxdesignen. Systemet skulle kunna fungera som ett verktyg för att kontrollera arrangemanget av nanopartiklar. "Eftersom vinkeln mellan de två DNA-buntarna kan kontrolleras, det ger möjlighet att ändra den relativa positionen för nanopartiklar i rymden, " säger Laura Na Liu. Dessutom, forskarna betraktar det pågående arbetet som ett steg mot en nanomaskin. Det nanoplasmoniska systemet kan vara en del av en sådan maskin.