Usando le strutture del DNA come scaffold, Tim Liedl, uno scienziato della Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) di Monaco di Baviera, ha dimostrato che le nanoparticelle d'oro posizionate con precisione possono fungere da efficienti trasmettitori di energia.

Dall'inizio del campo nel 2006, laboratori di tutto il mondo hanno esplorato l'uso di "DNA origami" per l'assemblaggio di nanostrutture complesse. Il metodo si basa su filamenti di DNA con sequenze definite che interagiscono tramite appaiamento localizzato di basi. "Con l'aiuto di brevi filamenti con sequenze appropriate, possiamo collegare insieme regioni specifiche di lunghe molecole di DNA, un po' come formare strutture tridimensionali piegando un foglio di carta piatto in certi modi, " come spiega il professor Tim Liedl della Facoltà di Fisica della LMU.

Immagine e immagine speculare

Liedl ha ora utilizzato gli origami del DNA per costruire oggetti chirali, cioè strutture che non possono essere sovrapposte da alcuna combinazione di rotazione e traslazione. Possiedono invece 'mano', e sono immagini speculari l'una dell'altra. Tali coppie spesso differiscono nelle loro proprietà fisiche, Per esempio, nella misura in cui assorbono la luce polarizzata. Questo effetto può essere sfruttato in molti modi. Per esempio, è la base per la spettroscopia CD (il 'CD' qui sta per 'dicroismo circolare'), una tecnica che viene utilizzata per chiarire la configurazione spaziale complessiva dei composti chimici, e anche proteine ​​intere.

Al fine di assemblare strutture metalliche chirali, Liedl e il suo gruppo hanno sintetizzato complesse strutture di DNA-origami che forniscono siti di legame posizionati con precisione per l'attacco di nanoparticelle d'oro sferiche e a forma di bastoncino. L'impalcatura funge quindi da modello o stampo per il posizionamento di nanoparticelle in posizioni predeterminate e con un orientamento spaziale definito. "Si può assemblare un oggetto chirale basandosi unicamente sulla disposizione delle nanoparticelle d'oro, " dice Liedl

L'oro non è solo chimicamente robusto, come metallo nobile, esibisce le cosiddette risonanze plasmoniche di superficie. I plasmoni sono oscillazioni di elettroni coerenti che vengono generate quando la luce interagisce con la superficie di una struttura metallica. "Si possono immaginare queste oscillazioni come le onde che si eccitano quando una bottiglia d'acqua viene agitata parallelamente o ad angolo retto rispetto al suo asse longitudinale, "dice Liedl.

Nanoparticelle d'oro come trasmettitori di energia

Le oscillazioni eccitate in particelle d'oro spazialmente contigue possono accoppiarsi tra loro, e i plasmoni negli esperimenti di Liedl si comportano come immagine e immagine speculare, grazie alla loro disposizione chirale sull'impalcatura degli origami. "Ciò è confermato dalle nostre misurazioni spettroscopiche CD, " dice Liedl. Negli esperimenti, le strutture chirali vengono irradiate con luce polarizzata circolarmente e il livello di assorbimento viene misurato come percentuale dell'input. Ciò consente di distinguere gli arrangiamenti per destrimani e per mancini.

In linea di principio, due nanotubi d'oro dovrebbero essere sufficienti per la costruzione di un oggetto chirale, in quanto possono essere disposte sia a forma di L che a L rovesciata. Tuttavia, i bastoncini utilizzati negli esperimenti erano relativamente distanti (su scala nanometrica) e i plasmoni eccitati in uno avevano poco effetto su quelli generati nell'altro, cioè i due difficilmente accoppiati tra loro. Ma Liedl e i suoi colleghi avevano un asso nella manica. Con un'opportuna riprogettazione della struttura dell'origami, sono stati in grado di posizionare una nanosfera d'oro tra la coppia di aste a forma di L, che ha effettivamente amplificato l'accoppiamento. La spettroscopia CD ha rivelato la presenza di transizioni energetiche, confermando così l'ipotesi che il team aveva ricavato dalle simulazioni.

Liedl prevede due possibili scenari in cui queste nanostrutture potrebbero trovare applicazione pratica. Potrebbero essere utilizzati per rilevare virus, poiché il legame degli acidi nucleici virali a una particella d'oro amplificherà il segnale CD. Inoltre, i trasmettitori plasmonici chirali potrebbero servire come dispositivi di commutazione modello nei computer ottici, in cui elementi ottici sostituiscono i transistor che sono i cavalli di battaglia dei computer elettronici.