Energieoverdracht door gouden nanodeeltjes gekoppeld aan DNA-structuren

Met behulp van DNA-structuren als steigers heeft Tim Liedl, een wetenschapper van Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München, aangetoond dat nauwkeurig gepositioneerde gouden nanodeeltjes kunnen dienen als efficiënte energietransmitters.

Sinds de start van het veld in 2006 hebben laboratoria over de hele wereld het gebruik van ‘DNA-origami’ onderzocht voor de assemblage van complexe nanostructuren. De methode is gebaseerd op DNA-strengen met gedefinieerde sequenties die interageren via gelokaliseerde basenparing. “Met behulp van korte strengen met de juiste sequenties kunnen we specifieke gebieden van lange DNA-moleculen met elkaar verbinden, net als driedimensionale structuren vormen door een plat vel papier op bepaalde manieren te vouwen”, aldus professor Tim Liedl van de Faculteit Natuurkunde bij LMU legt uit.

Afbeelding en spiegelbeeld

Liedl heeft nu DNA-origami gebruikt om chirale objecten te construeren, dat wil zeggen structuren die niet kunnen worden over elkaar heen gelegd door een combinatie van rotatie en translatie. In plaats daarvan bezitten ze ‘handigheid’ en zijn ze spiegelbeelden van elkaar. Dergelijke paren verschillen vaak in hun fysische eigenschappen, bijvoorbeeld in de mate waarin ze gepolariseerd licht absorberen. Dit effect kan op veel manieren worden benut. Het is bijvoorbeeld de basis voor CD-spectroscopie (de ‘CD’ staat hier voor ‘circulair dichroïsme’), een techniek die wordt gebruikt om de algehele ruimtelijke configuratie van chemische verbindingen en zelfs hele eiwitten op te helderen.

Met het oog op het samenstellen van chirale metalen structuren, hebben Liedl en zijn groep complexe DNA-origami-structuren gesynthetiseerd die nauwkeurig gepositioneerde bindingsplaatsen bieden voor de aanhechting van bolvormige en staafvormige gouden nanodeeltjes. De scaffold dient daarom als sjabloon of mal voor het plaatsen van nanodeeltjes op vooraf bepaalde posities en in een gedefinieerde ruimtelijke oriëntatie. “Men kan een chiraal object samenstellen op basis van de rangschikking van de gouden nanodeeltjes”, zegt Liedl

Goud is niet alleen chemisch robuust, maar vertoont als edelmetaal zogenaamde oppervlakte-plasmonresonanties. Plasmonen zijn coherente elektronoscillaties die worden gegenereerd wanneer licht in wisselwerking staat met het oppervlak van een metalen structuur. “Je kunt je deze trillingen voorstellen als golven die worden opgewekt wanneer een fles water parallel of haaks op zijn lengteas wordt geschud”, zegt Liedl.

Gouden nanodeeltjes als energietransmitters

Trillingen die worden opgewekt in ruimtelijk aangrenzende gouddeeltjes kunnen aan elkaar koppelen, en de plasmonen in Liedls experimenten gedragen zich als beeld en spiegelbeeld, dankzij hun chirale opstelling op de origami-steiger. “Dit wordt bevestigd door onze CD-spectroscopische metingen”, zegt Liedl. In de experimenten worden de chirale structuren bestraald met circulair gepolariseerd licht en wordt het absorptieniveau gemeten als een percentage van de input. Hierdoor zijn rechts- en linkshandige arrangementen van elkaar te onderscheiden.

In principe zouden twee gouden nanostaafjes voldoende moeten zijn voor de constructie van een chiraal object, aangezien ze zowel in de vorm van een L als een omgekeerde L. kunnen worden gerangschikt. De staafjes die in de experimenten werden gebruikt, waren echter relatief ver uit elkaar (op nanoschaal) en de plasmonen die in de ene werden geëxciteerd, hadden weinig effect op de plasmonen die in de andere werden gegenereerd, dwz de twee waren nauwelijks aan elkaar gekoppeld. Maar Liedl en zijn collega’s hadden een trucje voor de boeg. Door een passend herontwerp van de origami-structuur waren ze in staat om een ​​gouden nanosfeer tussen het paar L-gevormde staven te plaatsen, wat de koppeling effectief versterkte. CD-spectroscopie bracht de aanwezigheid van energietransities aan het licht en bevestigde daarmee de hypothese die het team had afgeleid uit simulaties.

Liedl voorziet twee mogelijke instellingen waarin deze nanostructuren praktische toepassing kunnen vinden. Ze zouden kunnen worden gebruikt om virussen te detecteren, aangezien de binding van virale nucleïnezuren aan een gouddeeltje het CD-signaal versterkt. Bovendien zouden chirale plasmonische zenders kunnen dienen als modelschakelaars in optische computers, waarin optische elementen de transistors vervangen die de werkpaarden zijn van elektronische computers.