Mit Goldpartikeln Energie in DNA-Architekturen übertragen

Seit 2006 arbeiten Labors weltweit mit dem DNA-Origami, um Nano­strukturen aus einzelnen DNA-Sequenzen künstlich aufzubauen und zu komplexen Objekten zu falten. Dabei verwenden Wissen­schaftler einen Strang viraler DNA als Gerüst, dessen Basen-Abfolge bekannt ist. „Mit passenden kurzen Sequenzen klammern wir dann wie beim Papier-Falten bestimmte Bereiche des großen DNA-Moleküls zusammen“, erklärt Physiker Tim Liedl Uni München. Per DNA-Origami stellt der Wissen­schaftler auch chirale Strukturen her, also Moleküle, die in zwei verschiedenen, zueinander spiegel­bild­lichen Strukturen vorkommen. Bild und Spiegel­bild haben unter­schied­liche physi­ka­lische Eigen­schaften, beispiels­weise absorbieren sie polari­siertes Licht verschieden stark. Das wird etwa bei der CD-Spektro­skopie genutzt, einer Methode zur Aufklärung der räum­lichen Anordnung einzelner chemischer Verbindungen oder ganzer Proteine.

Um chirale metallische Strukturen herzu­stellen, synthe­tisierte Liedl jetzt komplexe DNA-Origami-Archi­tek­turen, an die sich runde und stäbchen­förmige Gold­nano­partikel an ausge­wählten Positionen und mit definierter räum­licher Orientierung anbinden lassen. „Man kann ein chirales Objekt nur aufgrund der Anordnung der Gold­partikel machen“, sagt der Forscher.

Gold ist nicht nur chemisch wider­stands­fähig, sondern zeigt als Metall Plasmon-Resonanzen, ein Phänomen der Licht-Materie-Wechsel­wirkung, bei dem freie Elektronen im Metall Wellen ausführen. „Solche Schwingungen kann man sich vorstellen wie Wasser in einer Flasche, das man entlang oder senkrecht zur Längs­achse hin und her schwappen lässt“, so Liedl.

Schwingungen räumlich benach­barter Gold­partikel können aneinander koppeln. Diese Plasmonen verhalten sich in Liedls Experimenten aufgrund der Goldpartikel-Geometrien wie Bild und Spiegelbild. „Das sehen wir dann auch bei Messungen mit der CD-Spektro­skopie“, sagt Liedl. Dabei wird zirkular polari­siertes Licht in die Probe eingestrahlt und ausgewertet, welcher Anteil absorbiert wird. Auf diese Weise können beispiels­weise rechts­händige und links­händige Anordnungen unter­schieden werden.

In den Experimenten mit Nano-Stäbchen aus Gold reichen bereits zwei Stäbchen aus, um chirale Objekte aufzubauen. Diese beschreiben ein „L“ oder eben ein gespiegeltes „L“. Allerdings waren die Stäbchen auf der Nanoskala recht weit vonein­ander entfernt. Das bedeutet: Die Plasmonen auf den zwei Stäbchen merken kaum etwas vonein­ander. Doch der Physiker griff zu einem Trick: Er brachte Gold-Nano­kügelchen in das Molekül, die Plasmonen der L-förmigen Strukturen koppelten. In der CD-Spektro­skopie sah der Forscher tatsächlich Energie­übergänge und konnte damit eine Hypothese bestätigen, die sein Team aufgrund von Berechnungen erwartet hatte.

Wie geht es weiter? Liedl sieht perspek­tivisch zwei Anwendungs­gebiete seiner Nano­strukturen. Sie könnten sich als Sonden eignen, um beispiels­weise Viren nach­zu­weisen: Wenn deren Erbgut an einen Gold­partikel bindet, verstärkt sich das CD-Signal. Außerdem könnten chirale plasmo­nische „Weichen“ als Modell­systeme für optische Computer dienen, bei denen optische Komponenten Transistoren ersetzen.

LMU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  K. Martens et al.: Long- and short-ranged chiral interactions in DNA-assembled plasmonic chains, Nat. Commun. 12, 2025 (2021); DOI: 10.1038/s41467-021-22289-8
• Soft Condensed Matter (T. Liedl), Fklt. für Physik, Ludwig-Maximilians-Universität München