Из золота и ДНК собрали фотопереключаемые нано-ножницы

Химики из Института интеллектуальных систем общества Макса Планка, университетов Киото и Огайо создали наноразмерные «ножницы», способные обратимо открываться и закрываться под действием света. Сама форма частиц была задана методами ДНК-оригами, а возможность переключения под действием света стала последствием встраивания в структуру ДНК молекул азобензола. Авторы отмечают, что созданные наноустройства — первый пример наноплазмонных систем, полностью управляемых светом. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications, коротко о нем сообщает пресс-релиз общества Макса Планка.

Частицы состоят из двух частей — 80-нанометровых связок по 14 спиралей ДНК в каждой, связанных между собой. На лезвиях «ножниц» располагаются специальные одноцепочечные фрагменты ДНК, содержащие встроенные в цепь молекулы азобензола. Последний представляет собой фотохром, молекулу, способную изменять структуру под действием излучения. Если бы не он, то описанные фрагменты-«замки» жестко сцепили бы «лезвия» между собой благодаря комплементарности — «ножницы» оставались бы всегда закрытыми. 

В исходном состоянии молекулу азобензола можно рассматривать как отрезок, вытянутый в пространстве: два бензольных фрагмента находятся по разные стороны от центральной связи азот-азот, формируя зигзагообразную структуру — транс-форму. Она легко умещается внутри двойной спирали ДНК — между плоскостями оснований противоположной цепи — и облегчают связывание двух фрагментов. Под действием ультрафиолетового излучения молекула меняет форму и оба бензольных кольца оказываются ориентированными в одну полуплоскость относительно связи азот-азот. Образуется С-образная цис-форма. Она занимает в пространстве больший объем и уже не может уместиться внутри спирали — это приводит к размыканию цепей.

В результате, изначально «ножницы» сомкнуты — закрыты. Как только ученые облучали их ультрафиолетом, «замки» раскрывались и «лезвия», благодаря броуновскому движению, оказывались ориентированы перпендикулярно друг другу. Затем ультрафиолет сменяли видимым светом, что приводило к обратной изомеризации и смыканию «замков». В среднем на переключение из одного состояния в другое уходило несколько минут.

За движением частиц химики наблюдали двумя способами: с помощью просвечивающей электронной микроскопии, позволяющей зафиксировать форму «наноножниц» напрямую, и с помощью спектральных исследований. Для последних на поверхности обеих связок поместили по золотой наночастице — наностержню. В каждом из них наблюдается поверхностный плазмонный резонанс — частицы поглощают излучение определенной длины волны, превращая его в коллективные колебания электронов у поверхности, так называемый плазмон-поляритон. На спектр поглощения влияет масса факторов, в том числе и ближайшее окружение частицы. Благодаря этому авторам удалось определять состояние «ножниц» с точностью до угла раствора «лезвий».

«Наноножницы» могут найти свое применение как в составе различных микромеханических машин, так и, согласно экспериментам авторов, в роли элементов памяти. Ученые полностью проработали циклы чтения (получения спектра), записи (облучения видимым светом) и стирания (облучения ультрафиолетом) информации на основе единичных частиц. 

Владимир Королёв