El ADN podría organizar nanopartículas en materiales que manipulan la luz de nuevas formas

Cuando una hebra larga de ADN se mezcla con hebras más cortas diseñadas para adherirse a la pieza más larga en lugares específicos, estas hebras más cortas pueden actuar como puntales de conexión que unen partes de la hebra más larga, obligándola a autoensamblarse en una estructura tridimensional. forma.

Los bioquímicos han utilizado este origami de ADN para crear formas complejas, incluidos cubos, caras sonrientes e incluso mapas aproximados de China y las Américas.

Pero esto es solo el principio. El origami de ADN tiene el potencial de hacer una amplia gama de dispositivos a escala molecular. Los bioquímicos han comenzado a jugar con enzimas artificiales, sistemas de administración de fármacos y quizás incluso nanobots que pueden explorar el cuerpo.

Los físicos también han comenzado a explorar el potencial de la tecnología. Hoy, Chao Zhou en el Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes en Alemania y un par de colegas revisan la forma en que el origami de ADN puede crear metamateriales exóticos que manipulan la luz de formas que no son posibles con materiales convencionales. También muestran cómo crear estructuras de ADN que cambian de forma y que pueden actuar como interruptores e incluso caminar sobre superficies.

En los últimos años, los físicos han comenzado a estudiar en detalle la forma en que los fotones interactúan con el mar de electrones en los conductores metálicos. Los fotones que chocan contra este océano plasmónico crean ondas en su superficie, como el impacto de un asteroide en los océanos de la Tierra.

Estas ondas transportan información que se puede manipular de varias maneras. Además de absorber la luz, el océano plasmónico puede dispersarla y transferirle información.

Por lo tanto, no es difícil ver por qué la plasmónica es una disciplina emergente emocionante para el procesamiento y la comunicación de la información. Pero todavía está en pañales debido a una serie de desafíos, uno de los cuales es la escala nanométrica en la que se produce. Crear y manipular estructuras metálicas a esta escala es difícil.

Que es donde entra en juego el origami de ADN. La idea es unir nanopartículas de metal o nanobarras a una hebra de ADN y luego ensamblarla en una forma específica que ancle las nanopartículas en su lugar.

Varios grupos, incluidos Zhou y compañía, han hecho esto utilizando nanopartículas de oro y nanobarras fijadas a tubos de ADN para crear estructuras helicoidales. Luego enrollan estos tubos en anillos.

Debido a que las hélices pueden ser diestras o zurdas, interactúan con la luz polarizada circularmente de diferentes maneras. Y eso proporciona una forma de interrogarlos selectivamente.

Estos anillos tienen propiedades ópticas muy específicas, como la capacidad de interactuar con la luz polarizada en una u otra dirección. Además, pequeños cambios en su forma pueden cambiar drásticamente estas propiedades, ya que obligan a las nanopartículas a acercarse o separarse.

Con muchas de las moléculas en solución, el equipo puede monitorear estos cambios analizando la luz a medida que pasa. Por ejemplo, cambiar el pH altera la estructura de las moléculas de una manera que puede cambiar el índice de refracción de la solución. Del mismo modo, estas estructuras pueden detectar cambios de temperatura, concentración de iones o campos magnéticos, así como la presencia de otras moléculas activas.

La luz misma puede cambiar la configuración de las moléculas, cambiándolas de una forma a otra. Esto conduce a nanoestructuras programables con formas que se pueden cambiar al aplicarles luz. Estas moléculas tienen un enorme potencial para circuitos nanofotónicos y puertas lógicas.

Las moléculas que cambian de forma plantean la posibilidad de otros dispositivos. Las células vivas están llenas de máquinas moleculares que pueden caminar a lo largo de las estructuras dentro de la célula, como los microtúbulos. Estas máquinas incluyen motores moleculares como la cinesina y la dineína.

Las estructuras plasmónicas hechas de nanovarillas de oro pueden cambiar de forma de manera similar, lo que les permite caminar también. De hecho, Zhou y compañía han creado y probado estos caminantes plasmónicos en su laboratorio utilizando nanorods como piernas.

El sistema de caminante plasmónico consistía en una pista de origami de ADN de doble capa, una nanovarilla de oro como caminante y otra nanovarilla de oro como estator, dicen.

Todo esto es un trabajo de prueba de principio con perspectivas emocionantes. La visión es que estas máquinas conducirán a una nueva generación de sensores y actuadores biológicos enormemente sensibles que incluso podrían funcionar dentro del cuerpo. También podrían conducir a superficies y circuitos funcionales con propiedades que se pueden encender y apagar con luz. Hay mucho espacio para que las exploraciones avancen aún más en este emocionante campo multidisciplinario, dicen Zhou y compañía.

También hay muchos desafíos. Un problema es que las estructuras del ADN se descomponen rápidamente, por lo que será importante encontrar formas de hacerlas más estables. Otra es que los efectos cuánticos entran en juego cuando las nanopartículas y las nanovarillas se colocan muy cerca unas de otras. Caracterizarlos también será importante.

Y aunque la mayoría de estos efectos ópticos son el resultado de la interacción de la luz con el metal, una pregunta interesante es si las moléculas de ADN pueden interactuar con la luz y, de ser así, cómo se puede aprovechar.

Para bioquímicos, físicos e ingenieros por igual, es un campo a tener en cuenta.

Ref: arxiv.org/abs/1803.06753 : Plasmónica quiral habilitada con nanotecnología de ADN: de estática a dinámica

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