Basparen som finns i DNA är nyckeln till dess förmåga att lagra proteinkodande information, men de ger också molekylen användbara strukturella egenskaper. Att få två komplementära DNA-delar till att bli en dubbel helix kan fungera som grunden för invecklade fysiska mekanismer som kan driva och dra enheter i molekylär skala.

Ingenjörer vid University of Pennsylvania har utvecklat "muskler" i nanoskala som fungerar enligt denna princip. Genom att noggrant införliva strängar av anpassat DNA i olika lager av flexibla filmer, de kan tvinga de filmerna att böjas, krulla och till och med vända om genom att introducera rätt DNA-signal. De kan också vända dessa förändringar med hjälp av olika DNA -signaler.

En dag, böjningen av dessa muskler kan användas i diagnostiska apparater, kan signalera förändringar i genuttryck inifrån celler.

Forskarna visade detta system i en studie publicerad i Naturens nanoteknik .

Studien leddes John C. Crocker och Daeyeon Lee, professorer i kemi- och biomolekylär teknik vid Penns School of Engineering and Applied Science, tillsammans med Tae Soup Shim, som då var postdoktor i båda forskargrupperna. David Chenoweth, en biträdande professor i kemi vid Penns School of Arts &Sciences, och So-Jung Park, professor vid institutionen för kemi och nanovetenskap vid Ewha Womans University, Seoul, bidrog också till studien. Andra Penn-medförfattare inkluderar Zaki G. Estephan, Zhaoxia Qian, Jacob H. Prosser och Su Yeon Lee, doktorander och postdoktorer vid institutionerna för kemi- och biomolekylär teknik, Materialvetenskap och teknik och kemi.

Musklerna i nanoskala i studien består av guldnanopartiklar, som är förbundna med varandra genom enkelsträngat DNA. Forskarna byggde upp filmerna lager för lager, introducera olika uppsättningar av DNA-länkade nanopartiklar på olika djup. Varje uppsättning av nanopartiklar innehöll länkar med olika sekvenser.

"Sättet aktiveringen fungerar, " Crocker sa, "är att vi lägger till enkelsträngat DNA som är komplementärt till en del av bryggorna mellan partiklarna. När det DNA diffunderar in, det gör bara dessa broar till dubbelsträngade DNA-spiraler. "

Eftersom den specifika sekvensen av tillsatt DNA är skräddarsydd för att matcha olika uppsättningar av nanopartikelbryggor, forskarna kunde rikta in sig på enskilda lager av filmen, bildar dubbelsträngade broar i just dessa lager.

Denna mekanism var avgörande för att få filmerna att flexa, då enkelsträngade och dubbelsträngade broar är olika långa.

"Det händer att dubbelsträngat DNA är längre än enkelsträngat DNA med samma antal baser, Crocker sa, "så när den tillagda strängen binder, bron blir lite längre och materialet expanderar. Om bara ett lager av filmen expanderar, filmen krullar."

Forskarna utformade också ett sätt att återställa broarna till deras ursprungliga, enkelsträngat tillstånd, ta bort den här locken. De trådar som ger curling-cue har också ett "handtag" som inte binder till bryggorna. Genom att dra i det här handtaget splittras den dubbla helixen som den tillsatta DNA-bilden bildar.

"Vi gör strängen som vi lade till för att utöka broarna lite längre än den behöver vara, " sa Crocker. "Efter att den bildar en dubbel helix med bron, det finns ytterligare 7 baser av överblivet enkelsträngat DNA som dinglar vid sidan av bron. För att vända processen, vi lägger till en "stripper"-sträng som är komplementär till "expander"-strängen och det extra dinglande "handtaget". Det hybridiserar faktiskt till det dinglande handtaget, och drar sedan expandersträngen från bron, bildar en dubbelspiral i lösning som flyter iväg, låter bron återgå till dess kortare, enkelsträngad form."

Att få filmerna att rulla sig eller vända helt och hållet är bara ett proof-of-concept för nu, men detta muskelliknande böjningsbeteende kan ha en mängd tillämpningar på nanoskala.

Att kunna svara på en signal och totalt ignorera den andra – omöjligt för system som flexar baserat på temperatur- eller surhetsförändringar – är avgörande för deras förmåga att fungera som diagnostiska enheter.

"En "far-out"-applikation vi har tänkt på är i intracellulära situationer där vi inte exakt kan kontrollera saker med sladdar eller trådlös utrustning, sa Crocker. "Vi kan göra en enhet som absorberar eller reflekterar en viss våglängd av ljus baserat på avståndet mellan dess inre lager, och vi kunde sedan ändra det avståndet med en kemisk signal. Denna signal kan vara ett budbärar-RNA, så enheten tillhandahåller en encellsgenuttrycksavläsning. Dessa intracellulära enheter kunde avläsas under ett mikroskop, eller inuti kroppen med infraröd bildbehandling. "