Lasers besturen met dansend DNA

DNA is het erfelijke materiaal in de kern van alle cellen bij mensen en andere levende organismen. Naast zijn betekenis in de biologie, heeft DNA ook een specifieke rol gespeeld bij het besturen van veel fysieke apparaten. Onlangs heeft een internationaal onderzoeksteam van de Nanyang Technological University, Singapore, het concept van een schakelbare microlaser gedemonstreerd door gebruik te maken van het organische biomolecuul-DNA-hybridisatieproces.

Tot op heden zijn de vorderingen in schakelbare microlasers naar voren gekomen als een bouwsteen met een enorm potentieel voor het beheersen van licht-materie-interacties en geïntegreerde fotonica. In het algemeen wordt optische omschakeling bereikt door complexe fabricage van apparaten of door een aantal fysieke benaderingen, zoals het wijzigen van de structuur of brekingsindex van de laserholtes. In tegenstelling tot een kunstmatig ontworpen interface, profiteren stimuli-responsieve biointerfaces van een biologisch systeem en bioherkenning, zodat een hoger niveau van functionaliteiten op nanoschaal kan worden gerealiseerd. Desalniettemin moet het schakelen van laseremissie met biologische herkenning nog worden aangepakt, in het bijzonder met omkeerbare en golflengteafstembaarheid over een breed spectraal bereik.

Om dit probleem aan te pakken, heeft het team van Chen een nieuwe methode ontwikkeld om laseremissie om te schakelen door DNA in een optische microholte op te nemen. DNA is een van de krachtigste biomaterialen die bekend staan ​​om zijn controleerbare synthese en specificiteit van basenpaarinteracties. De programmeerbaarheid en zelfassemblage van DNA-structuren bieden veelzijdige manieren om DNA-bio-interfaces te construeren en optische respons op maat te maken. De optische microholte van Fabry-Perot bestaat uit twee diëlektrische spiegels, waarin met kleurstof gedoteerde vloeibare kristallen werden geïntroduceerd als optische versterking om de respons van DNA-bindingsgebeurtenissen te versterken.

De sterke wisselwerking tussen licht en materie die wordt geïnduceerd door de microholte, maakt het dus mogelijk om subtiele veranderingen te versterken in de holte en de matrix van vloeibare kristallen. Het vloeibaar-kristalmolecuul verandert van homeotroop in planaire uitlijning wanneer enkelstrengs DNA (sDNA) wordt geadsorbeerd op de kationische monolaag van de matrix. De oriëntatieveranderingen van LC-moleculen resulteerden dus in een blauwverschuiving van de lasergolflengte met een uitgesproken signaalversterking. De lasergolflengte kan worden teruggedraaid na binding met zijn complementaire deel door middel van een DNA-hybridisatieproces.

“We gebruikten deze speciale interactie tussen DNA en vloeibaar kristal als het schakelvermogen om de oriëntatie van de vloeibare kristallen in de microholte van Fabry-Perot te veranderen, zodat de laseremissie tussen verschillende golflengten werd geschakeld”, aldus professor Yu-Cheng Chen, de corresponderende auteur van het onderzoek. De interacties leiden tot tijdelijke omschakeling van lasergolflengten en -intensiteiten. De lasergolflengte lijkt blauw te verschuiven wanneer ssDNA wordt geïntroduceerd. Het keert terug naar hybridisatie met zijn complementaire basen. Zowel experimentele als theoretische studies hebben aangetoond dat de absorptiesterkte van het versterkingsmedium het kritische mechanisme is dat het verschuivingsgedrag van de laser bepaalt.

“Het belang van deze studie is om het concept te introduceren waarbij organische biomoleculen worden gebruikt om coherente lichtbronnen op verschillende golflengten te schakelen. Het vertegenwoordigt een mijlpaal in het bereiken van biologisch gecontroleerde laser,” zei Chen. Het team is van mening dat deze studie licht werpt op de ontwikkeling van programmeerbare fotonische apparaten op subnanoschaal door gebruik te maken van de complexiteit en zelfherkenning van biomoleculen. Door gebruik te maken van de complexiteit en zelfherkenning van DNA-sequenties, kon laserlicht volledig worden gemanipuleerd en geprogrammeerd. Het opmerkelijke vermogen van specifieke moleculaire herkenning zou in de toekomst mogelijk geschikt kunnen zijn voor toepassingen zoals informatiecodering en gegevensopslag met laserlicht. Dit werk is gepubliceerd in ACS Nano.