p A enigmática tira de Mobius tem sido um objeto de fascínio, aparecendo em várias obras de arte, mais famosa, uma xilogravura do holandês M.C. Escher, em que uma tribo de formigas atravessa o formulário único, superfície sem fim. p Cientistas do Biodesign Institute da Arizona State University e do Departamento de Química e Bioquímica, liderado por Hao Yan e Yan Liu, agora reproduziram a forma em uma escala extremamente pequena, unindo segmentos de DNA em forma de trança para criar estruturas Möbius medindo apenas 50 nanômetros de diâmetro - aproximadamente a largura de uma partícula de vírus.

p Eventualmente, pesquisadores esperam capitalizar sobre as propriedades materiais únicas de tais nanoarquiteturas, aplicando-os ao desenvolvimento de dispositivos de detecção biológica e química, nanolitografia, mecanismos de entrega de drogas pareados para a escala molecular e uma nova geração de nanoeletrônica.

p A equipe usou um método de construção versátil conhecido como origami de DNA e em uma extensão dramática da técnica, (que eles chamam de DNA Kirigami), eles cortam as formas de Möbius resultantes ao longo de seu comprimento para produzir estruturas de anéis torcidos e loops interligados conhecidos como catenanas.

p O trabalho deles aparece na edição online avançada de hoje da revista Nature Nanotechnology . Os alunos de pós-graduação envolvidos neste trabalho incluem Dongran Han e Suchetan Pal no grupo Yan.

p Fazer uma tira de Möbius no mundo cotidiano é fácil. Corte uma tira estreita de papel, traga as duas extremidades da tira perto uma da outra para que correspondam, mas dê uma meia torção antes de prender as pontas com um pedaço de fita adesiva. A tira de Möbius resultante, que tem apenas uma superfície e uma borda limite, é um exemplo de forma topológica.

p "Como nanoarquitetos, "Yan diz, "nós nos esforçamos para criar duas classes de estrutura - geométrica e topológica." Estruturas geométricas em duas e três dimensões abundam no mundo natural, de formas complexas de cristal a estrelas do mar, e organismos unicelulares como as diatomáceas. Yan cita essas formas naturais como uma fonte ilimitada de inspiração para nanoestruturas projetadas por humanos.

p Topologia, um ramo da matemática, descreve as propriedades espaciais de formas que podem ser torcidas, esticada ou deformada para produzir novas formas. Essas deformações de forma podem alterar profundamente a geometria de um objeto, como quando uma forma de donut é comprimida e esticada em um oito, mas a topologia de superfície de tais formas não é afetada.

p A natureza também é rica em estruturas topológicas, Notas de Yan, incluindo o elegante Möbius. As circulações das correntes oceânicas mais quentes e mais frias da Terra, por exemplo, descrever uma forma de Möbius. Outras estruturas topológicas são comuns aos sistemas biológicos, particularmente no caso do DNA, as 3 bilhões de bases químicas que são embaladas pelo cromossomo dentro da célula, usando estruturas topológicas. "Nas bactérias, o DNA do plasmídeo é enrolado em uma superenrolada, "Yan explica." Então, as enzimas podem entrar e cortar e reconfigurar a topologia para aliviar a torção na superenrolada para que todas as outras máquinas celulares possam ter acesso ao gene para replicação, transcrição e assim por diante. "

p Para formar a faixa de Möbius no estudo atual, o grupo contou com propriedades de automontagem inerentes ao DNA. Uma fita de DNA é formada a partir de combinações de bases de 4 nucleotídeos, adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G), que seguem um ao outro no fio como contas de um colar. Essas esferas de nucleotídeo podem se ligar umas às outras de acordo com uma regra estrita:A sempre emparelha com T, C com G. Assim, um segundo, A fita complementar de DNA se liga à primeira para formar a dupla hélice de DNA.

p Em 2006, Paul Rothemund, da Cal Tech, demonstrou que o processo de automontagem do DNA pode ser usado para produzir nanoarquiteturas 2D pré-projetadas de variedade surpreendente. Assim, O origami de DNA surgiu como uma ferramenta poderosa para o projeto de nanoestruturas. O método se baseia em um longo, segmento de fita única de DNA, usado como um andaime estrutural e guiado através do emparelhamento de base para assumir a forma desejada. Baixo, "fitas básicas sintetizadas quimicamente, "compostas por bases complementares são utilizadas para manter a estrutura no lugar.

p Após a síntese e mistura de grampos de DNA e fitas de suporte, a estrutura é capaz de se automontar em uma única etapa. A técnica tem sido usada para produzir nanoestruturas notáveis ​​de rostos sorridentes, praças, discos, mapas geográficos, e até mesmo palavras, em uma escala de 100 nm ou menos. Mas a criação de formas topológicas capazes de reconfiguração, como os produzidos pela natureza, provou ser mais desafiador.

p Uma vez que as pequenas estruturas de Möbius foram criadas, eles foram examinados com força atômica e microscopia eletrônica de transmissão. As imagens surpreendentes confirmam que o processo de origami de DNA produziu com eficiência tiras de Möbius semelhantes a Escher, medindo menos de um milésimo da largura de um cabelo humano. Yan observa que as formas de Möbius exibiam torções tanto para a direita quanto para a esquerda. A imagem permitiu que a lateralidade ou quiralidade de cada nanoestrutura achatada fosse determinada, com base nas diferenças de altura observadas nas áreas de sobreposição.

p Próximo, a equipe demonstrou a flexibilidade topológica das formas de Möbius produzidas, usando uma técnica de dobrar e cortar - ou DNA Kirigami -. O Möbius pode ser modificado cortando ao longo do comprimento da tira em diferentes locais. Cortar um Möbius ao longo de sua linha central produz uma nova estrutura - uma forma em loop contendo uma torção de 720 graus ou 4 meias torções. O design, que o grupo chama de Kirigami-Ring não é mais um Möbius, pois tem duas bordas e duas superfícies. O Möbius também pode ser cortado ao longo de seu comprimento em um terço da largura, produzindo um Kirigami-Catenane - uma tira de Möbius interligada com um anel superenrolado.

p Para cortar com precisão as nanoestruturas de Möbius, uma técnica conhecida como deslocamento de vertente foi usada, em que os grampos de DNA que mantêm a hélice central no lugar são equipados com os chamados fios de retenção que se projetam da hélice central. Uma fita complementar se liga ao segmento de suporte do dedo do pé, removendo os grampos e permitindo que o Möbius caia no Kirigami-Ring ou no Kirigami-Catenane.

p Novamente, a síntese bem-sucedida dessas formas foi confirmada por microscopia, com as estruturas Kirigami-Ring gradualmente relaxando em oito dígitos.

p Yan enfatiza que o sucesso do novo estudo dependeu muito do notável senso de espaço tridimensional do autor principal Dongran Han, permitindo-lhe projetar estruturas geométricas e topológicas em sua cabeça. "Han e também Pal são alunos particularmente brilhantes, "Yan diz, apontando que a complexa conceituação das nanoarquiteturas em suas pesquisas é realizada principalmente sem auxílio do computador. O grupo espera no futuro criar um software capaz de simplificar o processo.

p "Queremos impulsionar a tecnologia Origami-Kirigami para criar estruturas mais sofisticadas para demonstrar que podemos fazer qualquer forma ou topologia arbitrária usando a automontagem, "Han diz.

p Tendo feito incursões na escultura, pintura e até literatura, (particularmente, os romances do escritor francês Alain Robbe-Grillet), as estruturas topológicas agora estão preparadas para influenciar os desenvolvimentos científicos na menor escala.