DNA中的碱基对是其储存蛋白质编码信息能力的关键，但它们也赋予分子有用的结构特性。获得两条互补的DNA链以拉伸成双螺旋可以作为复杂的物理机制的基础，可以推动和拉动分子级设备。

宾夕法尼亚大学的工程师和化学家们开发出了符合这一原理的纳米级“肌肉”。通过仔细地将定制DNA链结合到不同的柔性薄膜层中，它们可以通过引入正确的DNA线索迫使这些薄膜弯曲，卷曲甚至翻转。他们还可以通过不同的DNA线索逆转这些变化。

有一天，这些肌肉的弯曲可用于诊断装置，能够发出细胞内基因表达变化的信号。

研究人员在Nature Nanotechnology上发表的一项研究中证明了这一系统。

该研究由John C. Crocker和Daeyeon Lee领导，他们是宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院化学与生物分子工程系教授，So-Jung Park，宾夕法尼亚大学艺术与科学学院化学兼职教授，系教授首尔梨花女子大学化学与纳米科学系，以及当时研究人员团体的博士后研究员Tae Soup Shim。艺术与科学化学助理教授David Chenoweth也参与了这项研究。其他Penn合着者包括Zaki G. Estephan，Zhaoxia Qian，Jacob H. Prosser和Su Yeon Lee，化学与生物分子工程，材料科学与工程与化学系的研究生和博士后研究人员。

研究中的纳米级肌肉由金纳米粒子组成，金纳米粒子通过单链DNA相互连接。研究人员逐层构建了这些薄膜，在不同深度引入了不同的DNA连接纳米粒子组。每组纳米颗粒包含具有不同序列的链接。

“致动的方式，”Crocker说，“我们添加的单链DNA与颗粒之间的一部分桥梁互补。当DNA扩散进入时，它将这些桥转变成双链DNA螺旋。“

由于添加的DNA的特定序列适合于匹配不同的纳米粒子桥组，研究人员可以针对薄膜的各个层，在这些层中形成双链桥。

这种机制对于使薄膜弯曲至关重要，因为单链和双链桥的长度不同。

“碰巧双链DNA长于具有相同碱基数的单链DNA，”Crocker说，“所以当添加的链结合时，桥会变得更长，材料会膨胀。如果只有一层薄膜膨胀，薄膜会卷曲。“

研究人员还设计了一种将桥梁恢复到原始单链状态的方法，从而消除了这种卷曲。提供卷曲提示的绳索也具有不与桥梁结合的“手柄”。拉动该手柄将所形成的DNA形成的双螺旋分开。

“我们制造我们添加的钢绞线，使桥梁扩展的时间比它需要的长一些，”Crocker说。“它与桥形成双螺旋后，剩下的7个碱基的剩余单链DNA悬挂在桥的一侧。为了扭转这一过程，我们添加了一个“剥离器”链，它与“扩展器”链和额外悬挂的“手柄”互补。它实际上与悬挂的手柄杂交，然后将膨胀链从桥上拉下来，在溶液中形成双螺旋，漂浮开来，使桥梁恢复到更短的单链形式。“

让电影卷曲或完全翻转只是现在的概念验证，但这种类似肌肉的弯曲行为可能在纳米尺度上有很多应用。

能够响应一个提示并完全忽略另一个 - 基于温度或酸度变化弯曲的系统不可能 - 对于它们作为诊断设备工作的能力至关重要。

克罗克说：“我们所想到的一个'遥远'应用是在细胞内情况下，我们无法通过电线或无线设备精确控制事物。“我们可以根据内部层的间距制作吸收或反射特定波长光的器件，然后我们可以使用化学信号改变间距。该信号可以是信使RNA，因此该装置提供单细胞基因表达读数。这些细胞内装置可以在显微镜下或使用红外成像在体内读出。“