Fotokontrollerad energiöverföring i DNA-baserade strukturer

Forskningsprojekt, 2013 – 2016

I det här projektet kommer ljus att användas för att kontrollera transporten av excitationsenergi i DNA-baserade strukturer på ett reversibelt sätt. Naturens fotosyntes är ett bra exempel på hur effektiv transport av excitationsenergi från de ljusinsamlade antennmolekylerna till reaktionscentrat möjliggörs genom precis kontroll av molekylernas inbördes position. Denna spatiala organisation styrs i sin tur av ett ramverk av proteiner som fungerar som en sorts mall för positioneringen av molekylerna som deltar i energiöverföringsprocessen. Ett annat välkänt exempel vad gäller biologiska mallar är DNA-molekyler, vars unika självorganiserande egenskaper möjliggör för konstruktionen av strukturer med precision på nanometerskalan. Naturen äger inte längre ensamrätt till detta förfaringssätt. I och med nanoteknologins intåg så har DNA-baserade system använts alltmer flitigt i t.ex. optoelektroniska tillämpningar där precis positionering av molekylära byggstenar är en nödvändighet. De molekylära nyckelspelarna i detta projekt är fotokroma molekyler (fotokromer). Denna familj av molekyler har gemensamt att dom existerar i två olika former som kan isomeriseras reversibelt med hjälp av ljus av olika våglängder. Då en fotokrom isomeriseras så ändras en mängd kemiska/fysikaliska egenskaper markant. Det mest välkända exemplet är dess ändring i excitationsenergier, som ger upphov till en påtaglig färgförändring - både i absorption och emission. Då absorptions- och emissionsfärgen har avgörande betydelse för en molekyls förmåga att transportera excitationsenergi till och från närliggande molekyler innebär detta att isomeriseringsprocessen kan användas som ett verktyg att aktivera eller deaktivera en energiöverföringsprocess. Genom att inkludera fotokromer och andra fluorescenta molekyler i DNA-baserade strukturer kan vi således kontrollera transporten av excitationsenergi med ljus som externt stimuli. Strukturen hos en fotokrom är en annan viktig egenskap som förändras vid isomeriseringen. Dessa strukturella förändringar kan utnyttjas till att ändra det sätt varmed fotokromen interagerar med DNA. Vi har tidigare visat att denna effekt är så stor att man kan switcha de DNA-bindande egenskaperna binärt, dvs en isomer form binder till DNA medan den andra formen inte binder till DNA. I och med att transporten av excitationsenergi är starkt beroende av molekylernas inbördes position så möjliggör denna fotokontrollerade DNA-bindningen en alternativ kontrollmekanism för energiöverföring. Den enklaste tillämpningen av ovan nämnda kontrollmekanismer är en trivial "on-off" switch för energiöverföring. Med fotokromen i sin passiva form, dvs den isomer som inte kan deltaga i energiöverföringsreaktioner, så kommer den molekyl som direktexciteras (donatorn) att fluorescera. Då fotokromen isomeriseras till den aktiva formen kommer fluorescensen från donatorn att släckas ut i och med att excitationsenergin har transporterats till fotokromen. Om fotokromen i sig själv är fluorescent så kommer emissionen nu att ha en annan färg. Detta möjliggör för kontinuerliga dikromatiska färgförändringar av det emitterade ljuset, något som kan vara av praktisk betydelse för displayer etc. Genom att inkludera tre eller fler molekyler i en och samma DNA-struktur så vore det dessutom möjligt att kontrollera åt vilket håll excitationsenergin transporteras (höger eller vänster) genom att isomera fotokromen mellan dess två olika former. Om två av dessa tre molekyler är fotokroma så öppnas möjligheten upp för trikromatiska färgförändringar, vilket vore av ännu större intresse för fullfärgsdisplayer. Även fast listan av potentiella (relativt avlägsna) tillämpningsområden kan göras längre så är den fundamentala funktionen "reversibelt fotokontrollerad energiöverföring i DNA-baserade strukturer" per se den mest intressanta aspekten i denna ansökan, i och med att den presenterar ett nytt verktyg för att på fotonisk väg utöva kontroll av energiöverföringsprocessen.