Las nanomáquinas podrían hacerse cargo de una variedad de tareas en el futuro. Algún día podrán realizar trabajos de precisión médica en el cuerpo humano o ayudar a analizar patógenos y contaminantes en laboratorios móviles. Los científicos del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart han presentado ahora un posible componente que podría usarse para mover y controlar específicamente una máquina de este tipo. Han desarrollado un sistema nanoplásmico en forma de tijeras que pueden abrir con luz ultravioleta. Tan pronto como irradien la nanoestructura con luz visible en lugar de UV, cierra de nuevo. Los investigadores pueden observar los cambios estructurales con la ayuda de partículas de oro que excitan con la luz.

Células animales y vegetales, así como las bacterias almacenan la información sobre su estructura completa y todos los procesos vitales en su ADN. En nanotecnología, no es la capacidad del ADN de llevar la estructura genética que utilizan los científicos, sino su estructura elástica. Esto les permite construir componentes de máquinas pequeñas, como motores y otras herramientas.

Para poder diseñar nanomáquinas completas, sin embargo, los científicos deben diseñar y seguir desarrollando posibles subunidades de una máquina paso a paso. Investigadores del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes junto con colegas de Japón y Estados Unidos han desarrollado ahora una estructura hecha de ADN que podría servir como componentes móviles de un nanomotor o nano-caja de cambios. Como las dos hojas de una tijera, tienen dos haces de ADN conectados por un tipo de bisagra. Cada paquete tiene solo 80 nanómetros de largo y cada uno consta de 14 hebras de ADN enrolladas paralelas entre sí. Inicialmente, el movimiento de la nanoestructura en forma de tijera está bloqueado por un tipo de candado químico hecho de azobencenos, que se puede abrir con luz ultravioleta.

El candado químico se abre con luz.

Cada uno de los componentes de azobenceno está conectado con un hilo de ADN que sobresale de cada paquete. En luz visible, los residuos de azobenceno adoptan una estructura que permite que las hebras de ADN que sobresalen de los dos haces se unan entre sí; los dos haces se encuentran muy cerca el uno del otro. Sin embargo, tan pronto como los investigadores exciten el complejo ADN-azobenceno con luz ultravioleta, el azobenceno cambia su estructura. Esto lleva a que los dos extremos sueltos del ADN se separen y la bisagra se abra en solo unos minutos. Por tanto, la luz actúa, en un sentido, como un lubricante para el movimiento. Tan pronto como se apague la luz ultravioleta, el azobenceno vuelve a cambiar su estructura, y los dos extremos del ADN se unen una vez más:el nanosistema se cierra. "Cuando queremos desarrollar una máquina, tiene que funcionar no solo en una dirección, tiene que ser reversible, "dice Laura Na Liu, quien dirige un grupo de investigación en el Instituto Max Planck de Stuttgart. Los haces de ADN aquí no se mueven porque la luz cambia o porque el azobenceno cambia su estructura, pero solo por el movimiento molecular browniano.

Los investigadores pueden observar en vivo cómo se abre y se cierra la nanoestructura. Para tal fin, han vinculado la nanotecnología del ADN con los llamados nanoplásmicos:un campo de investigación que se ocupa de las oscilaciones de electrones, los llamados plasmones, en una superficie metálica. Los plasmones pueden surgir cuando la luz incide en una partícula de metal, y dejar una firma característica con la luz adecuada.

Pequeñas varillas de oro proporcionan información sobre el estado de apertura.

El Grupo de Investigación dirigido por Laura Na Liu ha generado estos plasmones en dos diminutas varillas de oro, cada uno sentado en uno de los dos haces de ADN. Usando la analogía de las tijeras, estas dos partículas de oro se encuentran cada una en el lado exterior de una hoja de tijera y se cruzan como los haces de ADN en la bisagra de las tijeras. La excitación de la luz hace que no solo el candado molecular que fija los dos haces de ADN se abran, los plasmones en las partículas de oro también comienzan a oscilar. Cuando se abre la estructura en forma de tijera, el ángulo entre las dos varillas de oro también cambia, que tiene un efecto sobre los plasmones. Los investigadores pueden observar estos cambios espectroscópicamente irradiando el nanosistema con luz con propiedades adecuadas y midiendo cómo cambia. Por lo tanto, pueden incluso determinar el ángulo entre los haces de ADN.

"Hemos logrado por primera vez controlar un sistema nanoplásmico con luz. Y esta fue precisamente nuestra motivación, "dice Laura Na Liu. La investigadora y sus colegas habían trabajado anteriormente en nanosistemas que pueden controlarse químicamente. Sin embargo, los controles químicos no están tan limpios y dejan residuos en el sistema.

Laura Na Liu ya tiene una aplicación en mente para el diseño de tijera con control de luz. El sistema podría servir como herramienta para controlar la disposición de las nanopartículas. "Como se puede controlar el ángulo entre los dos haces de ADN, ofrece la posibilidad de cambiar la posición relativa de las nanopartículas en el espacio, "dice Laura Na Liu. Además, los científicos consideran el trabajo actual como un paso hacia una nanomáquina. El sistema nanoplásmico podría ser parte de tal máquina.