В человеческом организме генетическая информация закодирована в строительных блоках двухцепочечной дезоксирибонуклеиновой кислоты – так называемой ДНК. Используя искусственные молекулы ДНК, международная группа ученых получила наноструктурированные материалы, которые могут быть использованы для направленной модификации видимого света. Результаты работы представлены в последнем номере журнала Nature.

Несколько лет назад разработка метода ДНК-оригами вызвала в научной среде радостное оживление, так как этот подход делает возможным получение наночастиц заданной формы и размера. Однако какого-либо развития в практическом направлении, например, в создании нано-пинцетов, этот метод так и не получил. Интернациональной группе ученых под руководством профессоров Тима Лидля (Tim Liedl) из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (Ludwig-Maximilians-Universität München) и Фридриха Зиммеля (Friedrich Simmel) из Технического университета Мюнхена (Technische Universität München) удалось создать наночастицы, способные целенаправленно модифицировать свет, используя для этого оптически активные строительные блоки ДНК.

Взаимодействие света и наноструктур может помочь значительно уменьшить размер оптических датчиков для медицинских и экологических исследований, делая их, в то же время, более чувствительными. Однако по сравнению со структурами размером всего в несколько нанометров размер световой волны, занимающий диапазон от 400 до 800 нанометров, огромен. Тем не менее, теоретически, если мельчайшие структуры работают в унисон, даже небольшие объекты могут очень хорошо взаимодействовать со светом. К сожалению, получить необходимые для этого трехмерные структуры с наноразмерной точностью в достаточных количествах и с нужной чистотой с помощью обычных методов невозможно.

«Всем этим требованиям отвечает метод ДНК-оригами. Он позволяет заранее и с нанометровой точностью определять трехмерную форму создаваемого объекта», – поясняет профессор Зиммель, руководитель кафедры биомолекулярных систем и бионанотехнологии в Техническом университете Мюнхена. «Запрограммированные исключительно с помощью последовательности основных строительных блоков, такие наноэлементы сами собираются в желаемые структуры».

Группа Зиммеля успешно получила «винтовые нанолестницы» с шагом спирали 57 и диаметром 34 нанометра с инкорпорированными в них наночастицами золота размером 10 нанометров, находящимися на равных расстояниях друг от друга.

Лево- и правозакрученные наноспирали (диаметр 34 нм, шаг спирали 57 нм) образованы девятью наночастицами золота диаметром 10 нм, которые связаны
с поверхностью ДНК-оригами из 24 спиральных пучков (диаметр 16 нм). Каждый сайт связывания состоит из трех одинарных цепочек длиной в 15 нуклеотидов,
играющих роль «скрепок». Наночастицы золота несут несколько модифицированных тиолом цепочек ДНК, комплементарных «скрепочным». При смешивании
наночастицы и 24-спиральные пучки образуют наноспирали методом самосборки. (nature.com)

Электроны на поверхности наночастиц золота взаимодействуют с электромагнитным полем света. Небольшое расстояние между частицами на цепочке ДНК гарантирует, что они работают в унисон, тем самым многократно усиливая взаимодействие. Профессор Александр Говоров (Alexander Govorov), физик-теоретик из Университета штата Огайо, США, предсказал, что эффект должен зависеть от размера и состава металлических частиц и расстояния между ними. Используя метод ДНК-оригами, физики из TUM создали наноструктуры, в которых эти параметры варьируют.

Результаты экспериментов полностью подтверждают предсказания их коллег-теоретиков: водные растворы право- и левозакрученных нанолестниц заметно отличаются по своему взаимодействию со светом с круговой поляризацией. Винтовые нанолестницы с крупными частицами демонстрируют значительно более сильный оптический отклик, чем содержащие частицы меньших размеров. Большое влияние оказывает и химический состав наночастиц: если частицы золота покрыты слоем серебра, оптический резонанс смещается от красной к синей области спектра с более короткими волнами.

Право- и левозакрученные наноспирали заметно различаются по своему взаимодействию
со светом с круговой поляризацией. (Фото: Tim Liedl/LMU)

Теперь, сочетая теоретические расчеты с возможностями метода ДНК-оригами, ученые могут создавать нанооптические материалы с точно заданными характеристиками. Профессор Лидль так описывает дальнейшее направление исследований: «Мы планируем проверить, можно ли с помощью этого метода влиять на показатель преломления производимых материалов. Материалы с отрицательным показателем преломления могут быть использованы для разработки новых систем оптических линз – так называемых суперлинз».

Работа финансировалась Фондом Фольксвагена (Volkswagen Foundation), Национальным научным фондом США (National Science Foundation) и др.

Аннотация к статье: DNA-based self-assembly of chiral plasmonic nanostructures with tailored optical response