09.04.2021 - Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)

Mit Goldpartikeln Energie in DNA-Architekturen übertragen

Tim Liedl stellt hybride Strukturen aus DNA und Gold-Nanopartikeln her. Innerhalb dieser Architekturen gelang ihm ein besonders effizienter Energietransfer

Seit 2006 arbeiten etliche Labors weltweit mit dem sogenannten 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 Professor Tim Liedl von der Fakultät für Physik der LMU.

Bild und Spiegelbild auf der Nanoskala

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. Dies wird etwa bei der sogenannten CD-Spektroskopie genutzt, einer Methode zur Aufklärung der räumlichen Anordnung einzelner chemischer Verbindungen oder ganzer Proteine.

Um chirale metallische Strukturen herzustellen, synthetisierte Liedl nun 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 sogenannte Plasmon-Resonanzen, ein Phänomen der Licht-Materie-Wechselwirkung, bei dem freie Elektronen im Metall Wellen ausführen, die Physiker als Plasmon bezeichnen. „Solche Schwingungen kann man sich vorstellen wie Wasser in einer Flasche, das man entlang oder senkrecht zur Längsachse hin und her schwappen lässt“, sagt Liedl.

Energie in Gold-DNA-Struktur übertragen

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“, so 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 LMU-Physiker tatsächlich Energieübergänge und konnte damit eine Hypothese bestätigen, die das 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.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Plasmonen
  • CD-Spektroskopie
Mehr über LMU
  • News

    Wie SARS-Coronaviren die menschliche Zelle zum eigenen Vorteil umfunktionieren

    Coronavirus-Forscher um Prof. Rolf Hilgenfeld von der Universität zu Lübeck und Privatdozent Dr. Albrecht von Brunn von der Ludwigs-Maximilians-Universität München, beides Forscher am Deutschen Zentrum für Infektionsforschung (DZIF), konnten einen Forschungserfolg im "EMBO Journal" publizie ... mehr

    Neuartige Blutuntersuchung mittels Infrarotlicht

    Ein Team aus Laserphysikern, Molekularbiologen und Medizinern der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik hat die zeitliche Konstanz der molekularen Zusammensetzung im Blut von gesunden Testpersonen untersucht. Die Ergebnisse dienen als Grundlage, Veränd ... mehr

    Begann die Darwin’sche Evolution schon, bevor es Leben gab?

    Ehe Leben auf der Erde entstand, gab es vor allem eines: Chaos. Eine Unmenge einfacher Moleküle, Salze sowie langkettiger Moleküle wie DNA, RNA oder Proteine in unterschiedlichen Längen waren in der Ursuppe gelöst und zum großen Teil wild durcheinandergemischt. Damit die ersten lebensähnlic ... mehr