Ny metode til at designe diamantgitre og andre krystaller fra mikroskopiske byggesten

En imponerende række af arkitektoniske former kan fremstilles af de populære sammenlåsende byggeklodser kendt som LEGOS. Det eneste, der skal til, er et barns fantasi til at konstruere et stort set uendeligt udvalg af komplekse former.

I en ny undersøgelse, der vises i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve , forskere beskriver en teknik til at bruge LEGO-lignende elementer i skalaen på et par milliardtedele af en meter. Yderligere, de er i stand til at få disse designelementer til at samle sig selv, hvor hver LEGO brik identificerer sin rette makker og forbinder sig i en præcis rækkefølge for at fuldende den ønskede nanostruktur.

Mens teknikken beskrevet i det nye studie simuleres på computer, strategien er anvendelig til selvsamlingsmetoder, der er fælles for området DNA-nanoteknologi. Her, ækvivalenten til hver LEGO brik består af en nanostruktur lavet af DNA, det berømte molekylære depot af vores genetiske kode. De fire nukleotider, der udgør DNA - almindeligvis mærket A, C, T &G – holde sig til hinanden i henhold til en pålidelig regel:A-nukleotider parrer sig altid med Ts og C-nukleotider med Gs.

Ved at bruge baseparringsegenskaber kan forskere som Petr Sulc, tilsvarende forfatter til den nye undersøgelse, at designe DNA-nanostrukturer, der kan tage form i et reagensglas, som på autopilot.

"Det mulige antal måder at designe interaktioner mellem byggestenene på er enormt, noget, der kaldes en 'kombinatorisk eksplosion'", siger Sulc. "Det er umuligt at kontrollere alle mulige byggestensdesign individuelt og se, om de kan samles selv til den ønskede struktur. I vores arbejde, vi leverer en ny generel ramme, der effektivt kan afsøge rummet af mulige løsninger og finde den, der samles selv i den ønskede form og undgår andre uønskede samlinger."

Sulc er forsker ved Biodesign Center for Molekylær Design og Biomimetik og ASU's School of Molecular Sciences (SMS). Han får selskab af sin kollega Lukáš Kroc sammen med internationale samarbejdspartnere Flavio Romano og John Russo fra Italien.

Den nye teknik markerer et vigtigt springbræt inden for det hastigt udviklende område af DNA-nanoteknologi, hvor selvsamlede former finder vej til alt fra nanoskala pincet til kræftjagende DNA-robotter.

På trods af imponerende fremskridt, konstruktionsmetoder, der er afhængige af molekylær selvsamling, har måttet kæmpe med utilsigtede bindinger af byggemateriale. Udfordringerne vokser med kompleksiteten af ​​det påtænkte design. I mange tilfælde, forskere er forvirrede over, hvorfor visse strukturer selv samles fra et givet sæt af elementære byggeklodser, da det teoretiske grundlag for disse processer stadig er dårligt forstået.

For at konfrontere problemet, Sulc og kolleger har opfundet et smart farvekodningssystem, der formår at begrænse baseparringerne til kun dem, der vises i designplanen for den endelige struktur, med alternative base-parringer forbudt.

Processen fungerer gennem en specialdesignet optimeringsalgoritme, hvor den korrekte farvekode til selvsamling af den tilsigtede form producerer målstrukturen med et minimum af energi, mens konkurrerende strukturer udelukkes.

Næste, de sætter systemet i gang, bruge computere til at designe to krystalformer af stor betydning for fotonikområdet:pyrochlor og kubisk diamant. Forfatterne bemærker, at denne innovative metode er anvendelig til enhver krystalstruktur.

For at anvende deres teoretiske ramme, Sulc har startet et nyt samarbejde med professorerne Hao Yan og Nick Stephanopoulos, sine kolleger hos Biodesign og SMS. Sammen, de sigter mod eksperimentelt at realisere nogle af de strukturer, som de var i stand til at designe i simuleringer.

"Mens den åbenlyse anvendelse af vores rammer er i DNA-nanoteknologi, vores tilgang er generel, og kan også bruges til for eksempel at designe selvsamlede strukturer ud af proteiner, " siger Sulc.