Le nanomacchine potrebbero svolgere una serie di compiti in futuro. Un giorno potrebbero essere in grado di eseguire lavori medici di precisione nel corpo umano o aiutare ad analizzare agenti patogeni e inquinanti nei laboratori mobili. Gli scienziati dell'Istituto Max Planck per i sistemi intelligenti di Stoccarda hanno ora presentato un possibile componente che potrebbe essere utilizzato per spostare e controllare in modo specifico una macchina del genere. Hanno sviluppato un sistema nanoplasmonico sotto forma di un paio di forbici che possono aprire usando la luce UV. Non appena irradiano la nanostruttura con luce visibile anziché UV, si chiude di nuovo. I ricercatori possono osservare i cambiamenti strutturali con l'ausilio di particelle d'oro che eccitano con la luce.

Cellule animali e vegetali, così come i batteri immagazzinano le informazioni sulla loro struttura completa e tutti i processi vitali nel loro DNA. Nelle nanotecnologie, non è la capacità del DNA di trasportare il corredo genetico usato dagli scienziati, ma la sua struttura elastica. Questo permette loro di costruire componenti di piccole macchine, come motori e altri strumenti.

Per poter progettare nanomacchine complete, però, gli scienziati devono progettare e sviluppare ulteriormente le possibili subunità di una macchina passo dopo passo. I ricercatori dell'Istituto Max Planck per i sistemi intelligenti, insieme a colleghi giapponesi e statunitensi, hanno ora sviluppato una struttura fatta di DNA che potrebbe fungere da componenti mobili di un nanomotore o di un nanoriduttore. Come le due lame di una forbice, hanno due fasci di DNA collegati da un tipo di cerniera. Ogni fascio è lungo solo 80 nanometri e ciascuno è costituito da 14 filamenti di DNA arrotolati paralleli l'uno all'altro. Inizialmente, il movimento della nanostruttura a forbice è bloccato da un tipo di lucchetto chimico fatto di azobenzeni, che può essere aperto dalla luce UV.

Il lucchetto chimico si apre con la luce

I componenti dell'azobenzene sono collegati ciascuno con un filo di DNA che sporge da ciascun fascio. Alla luce visibile, i residui di azobenzene assumono una struttura che permette ai filamenti di DNA sporgenti dei due fasci di legarsi tra loro – i due fasci giacciono molto vicini l'uno all'altro. Però, non appena i ricercatori eccitano il complesso DNA-azobenzene con luce UV, l'azobenzene cambia la sua struttura. Ciò porta alla separazione delle due estremità sciolte del DNA e all'apertura della cerniera in pochi minuti. La luce dunque agisce, in un senso, come un lubrificante per il movimento. Non appena si spegne la luce UV, l'azobenzene cambia di nuovo la sua struttura, e le due estremità del DNA si ricollegano:il nanosistema si chiude. "Quando vogliamo sviluppare una macchina, deve funzionare non solo in una direzione, deve essere reversibile, "dice Laura Na Liu, che guida un gruppo di ricerca presso l'Istituto Max Planck di Stoccarda. I fasci di DNA qui non si muovono perché la luce cambia o perché l'azobenzene cambia la sua struttura, ma solo a causa del moto molecolare browniano.

I ricercatori possono osservare dal vivo come si apre e si chiude la nanostruttura. A tal fine, hanno collegato la nanotecnologia del DNA con la cosiddetta nanoplasmonica:un campo di ricerca che si occupa delle oscillazioni degli elettroni – i cosiddetti plasmoni – su una superficie metallica. I plasmoni possono sorgere quando la luce colpisce una particella metallica, e lasciare una firma caratteristica in una luce adeguata.

Piccole aste d'oro forniscono informazioni sullo stato di apertura

Il gruppo di ricerca guidato da Laura Na Liu ha generato questi plasmoni su due minuscole bacchette d'oro, ciascuno seduto su uno dei due fasci di DNA. Usando l'analogia delle forbici, queste due particelle d'oro si trovano ciascuna sul lato esterno di una lama di forbice e si incrociano come i fasci di DNA alla cerniera delle forbici. L'eccitazione della luce fa sì che non solo il lucchetto molecolare che fissa i due fasci di DNA si apra, anche i plasmoni sulle particelle d'oro iniziano a oscillare. Quando la struttura a forbice si apre, cambia anche l'angolo tra le due aste d'oro, che ha effetto sui plasmoni. I ricercatori possono osservare questi cambiamenti spettroscopicamente irradiando il nanosistema con luce con proprietà adeguate e misurando come cambia. Possono quindi persino determinare l'angolo tra i fasci di DNA.

"Siamo riusciti per la prima volta a controllare un sistema nanoplasmonico con la luce. E questa era proprio la nostra motivazione, " afferma Laura Na Liu. La ricercatrice e i suoi colleghi avevano precedentemente lavorato su nanosistemi che possono essere controllati chimicamente. Tuttavia, i controlli chimici non sono così puliti e lasciano residui nel sistema.

Laura Na Liu ha già in mente un'applicazione per il design a forbice a luce controllata. Il sistema potrebbe fungere da strumento per controllare la disposizione delle nanoparticelle. "Poiché l'angolo tra i due fasci di DNA può essere controllato, offre la possibilità di cambiare la posizione relativa delle nanoparticelle nello spazio, " dice Laura Na Liu. Inoltre, gli scienziati considerano il lavoro in corso come un passo verso una nanomacchina. Il sistema nanoplasmonico potrebbe far parte di una macchina del genere.