Forskere udvikler DNA origami nanoskala breadboards til kulstof nanorør kredsløb

I arbejde, der en dag kan føre til udviklingen af ​​nye typer af elektroniske enheder i nanoskala, et tværfagligt team af forskere ved California Institute of Technology har kombineret DNA's talent for selvsamling med kulstofnanorørs bemærkelsesværdige elektroniske egenskaber, derved foreslår en løsning på det langvarige problem med at organisere kulstofnanorør i elektroniske kredsløb på nanoskala.

Et papir om arbejdet udkom den 8. november i den tidlige online-udgave af Natur nanoteknologi .

"Dette projekt er et af de store 'Hvor ellers end hos Caltech?' historier, " siger Erik Winfree, lektor i datalogi, beregnings- og neurale systemer, og bioingeniør hos Caltech, og et af fire fakultetsmedlemmer, der overvåger projektet.

Både den oprindelige idé til projektet og dets endelige udførelse kom fra tre studerende:Hareem T. Maune, en kandidatstuderende, der studerer kulstofnanorørs fysik i laboratoriet hos Marc Bockrath (dengang Caltech assisterende professor i anvendt fysik, nu på University of California, Riverside); Si-ping Han, en teoretiker i materialevidenskab, der undersøger vekselvirkningerne mellem kulstofnanorør og DNA i Caltech-laboratoriet hos William A. Goddard III, Charles og Mary Ferkel professor i kemi, Materialevidenskab, og anvendt fysik; og Robert D. Barish, en bachelor med hovedfag i datalogi, som arbejdede på kompleks DNA-selvsamling i Winfrees laboratorium.

Projektet startede i 2005, kort efter Paul W. K. Rothemund opfandt sin revolutionerende DNA-origami-teknik. På det tidspunkt, Rothemund var postdoc i Winfrees laboratorium; i dag, han er seniorforsker i bioteknik, computer videnskab, og beregnings- og neurale systemer.

Rothemunds arbejde gav Maune, Han, og Barish ideen om at bruge DNA-origami til at bygge kulstof nanorør-kredsløb.

DNA origami er en type selvsamlet struktur lavet af DNA, der kan programmeres til at danne næsten ubegrænsede former og mønstre, såsom smiley ansigter eller kort over den vestlige halvkugle eller endda elektriske diagrammer. Udnyttelse af sekvensgenkendelsesegenskaberne ved DNA-baseparring, DNA-origami er skabt ud fra en lang enkelt streng af viralt DNA og en blanding af forskellige korte syntetiske DNA-strenge, der binder til og "hæfter" det virale DNA til den ønskede form, typisk omkring 100 nanometer (nm) på en side.

Enkeltvæggede kulstofnanorør er molekylære rør sammensat af et oprullet sekskantet net af kulstofatomer. Med diametre, der måler mindre end 2 nm og dog med længder på mange mikron, de har ry som nogle af de stærkeste, mest varmeledende, og mest elektronisk interessante materialer, der er kendt. Årevis, forskere har forsøgt at udnytte deres unikke egenskaber i nanoskalaenheder, men netop at arrangere dem i ønskværdige geometriske mønstre har været en stor anstødssten.

"Efter at have hørt Paulus' tale, Hareem blev begejstret over ideen om at sætte nanorør på origami, " husker Winfree. "I mellemtiden, Rob havde talt med sin ven Si-Ping, og de var uafhængigt af hinanden blevet begejstrede for den samme idé."

Baggrunden for de studerendes begejstring var håbet om, at DNA-origami kunne bruges som 100 nm gange 100 nm molekylære breadboards - konstruktionsbaser til prototyping af elektroniske kredsløb - hvorpå forskerne kunne bygge sofistikerede enheder blot ved at designe sekvenserne i origamien, så specifikke nanorør ville fastgøres i forudbestemte positioner.

"Før du taler med disse elever, " Winfree fortsætter, "Jeg havde ingen interesse i at arbejde med kulstofnanorør eller anvende vores laboratoriums DNA-tekniske ekspertise til sådanne praktiske formål. Men, tilsyneladende ud af ingenting, et hold havde samlet sig selv med et bemærkelsesværdigt spektrum af færdigheder og en masse entusiasme. Selv Si-Ping, en fuldendt teoretiker, gik ind i laboratoriet for at hjælpe med at gøre ideen til virkelighed."

"Dette samarbejdsprojekt er bevis på, hvordan vi hos Caltech udvælger de bedste studerende inden for naturvidenskab og ingeniørvidenskab og placerer dem i et miljø, hvor deres kreativitet og fantasi kan trives, " siger Ares Rosakis, formand for afdelingen for ingeniørvidenskab og anvendt videnskab ved Caltech og Theodore von Kármán professor i luftfart og professor i maskinteknik.

Det var ikke nemt at føre elevernes ideer ud i livet. "Carbon nanorør kemi er notorisk vanskelig og rodet - tingene er udelukkende kulstof, trods alt, så det er ekstremt svært at få en reaktion til at ske ved ét valgt carbonatom og slet ikke de andre, " forklarer Winfree.

"Denne vanskelighed med kemisk at gribe et nanorør ved et veldefineret 'håndtag' er essensen af ​​problemet, når du forsøger at placere nanorør, hvor du vil have dem, så du kan bygge komplekse enheder og kredsløb, " han siger.

Forskernes geniale løsning var at udnytte klæbrigheden af ​​enkeltstrenget DNA til at skabe de manglende håndtag. Det er denne klæbrighed, der forener de to strenge, der udgør en DNA-helix, gennem parringen af ​​DNA's nukleotidbaser (A, T, C, og G) med dem, der har komplementære sekvenser (A med T, C med G).

"DNA er det perfekte molekyle til at genkende andre DNA-strenge, og enkeltstrenget DNA kan tilfældigvis også lide at holde sig til kulstofnanorør, " siger Han. "Så vi blander bare nanorør med DNA-molekyler i saltvand, og de klæber over hele nanorørets overflader. Imidlertid, vi sørger for, at en lille smule af hvert DNA-molekyle er beskyttet, så den lille portion ikke klæber til nanorøret, og vi kan bruge det til at genkende DNA knyttet til DNA-origamien i stedet."

Forskerne skabte to partier af kulstof nanorør mærket af DNA med forskellige sekvenser, som de kaldte "rød" og "blå".

"Metaforisk, vi dyppede et parti nanorør i rød DNA-maling, og dyppede endnu et parti nanorør i blå DNA-maling, " siger Winfree. Bemærkelsesværdigt, denne DNA-maling fungerer som farvespecifik velcro.

"Disse DNA-molekyler tjente som håndtag, fordi et par enkeltstrengede DNA-molekyler med komplementære sekvenser vil vikle sig om hinanden for at danne en dobbelt helix. " han siger, "rød kan binde stærkt til anti-rød, og blå med anti-blå."

"Følgelig, " tilføjer han, "hvis vi tegner en stribe anti-rødt DNA på en overflade, og hæld de rødbelagte nanorør over det, nanorørene vil klæbe på linjen. Men de blå-coatede nanorør vil ikke klæbe, fordi de kun holder sig til en anti-blå linje."

At lave elektroniske kredsløb i nanometerskala ud af kulstofnanorør kræver evnen til at tegne DNA-striber i nanometerskala. Tidligere, dette ville have været en umulig opgave. Rothemunds opfindelse af DNA-origami, imidlertid, gjort det muligt.

"En standard DNA-origami er et rektangel omkring 100 nm i størrelse, med over 200 'pixel' positioner, hvor vilkårlige DNA-strenge kan fastgøres, " siger Winfree. For at integrere kulstofnanorørene i dette system, forskerne farvede nogle af disse pixels anti-røde, og andre anti-blå, effektivt at markere de positioner, hvor de ønskede, at de farvematchede nanorør skulle holde fast. De designede derefter origamien, så de rødmærkede nanorør ville krydse vinkelret på de blå nanorør, at lave det, der er kendt som en felteffekttransistor (FET), en af ​​de mest basale enheder til opbygning af halvlederkredsløb.

Selvom deres proces er konceptuelt enkel, forskerne måtte finde ud af mange knæk, såsom adskillelse af bundterne af kulstofnanorør i individuelle molekyler og vedhæftning af det enkeltstrengede DNA; at finde den rigtige beskyttelse for disse DNA-strenge, så de forblev i stand til at genkende deres partnere på origamien; og finde de rigtige kemiske forhold til selvmontering.

Efter cirka et år, holdet havde med succes placeret krydsede nanorør på origamien; de var i stand til at se krydset via atomkraftmikroskopi. Disse systemer blev fjernet fra opløsning og placeret på en overflade, hvorefter der blev sat ledninger på for at måle enhedens elektriske egenskaber. Da holdets simple enhed blev koblet til elektroder, den opførte sig som en felteffekttransistor. "Felteffekten" er nyttig, fordi "transistorens to komponenter, kanalen og porten, behøver faktisk ikke røre for at der er en skiftende effekt, " Rothemund forklarer. "Et kulstof nanorør kan ændre ledningsevnen af ​​det andet kun på grund af det elektriske felt, der dannes, når en spænding påføres det."

På dette tidspunkt, forskerne var sikre på, at de havde skabt en metode, der kunne konstruere en enhed ud fra en blanding af nanorør og origami.

"Det virkede, " siger Winfree. "Jeg kan ikke sige perfekt – der er masser af plads til forbedringer. Men det var tilstrækkeligt til at demonstrere den kontrollerede konstruktion af en simpel enhed, et krydskryds mellem et par kulstofnanorør."

"Vi forventer, at vores tilgang kan forbedres og udvides til pålideligt at konstruere mere komplekse kredsløb, der involverer kulstof nanorør og måske andre elementer, herunder elektroder og ledninger, " siger Goddard, "som vi forventer vil give nye måder at undersøge adfærden og egenskaberne af disse bemærkelsesværdige molekyler."

Den reelle fordel ved tilgangen, han påpeger, er, at selvmontering ikke kun laver én enhed ad gangen. "Dette er en skalerbar teknologi. Det vil sige, man kan designe origamien til at konstruere komplekse logiske enheder og til at gøre dette for tusinder eller millioner eller milliarder af enheder, der selv samles parallelt."

Mere information: "Selvsamling af kulstof nanorør til todimensionelle geometrier ved hjælp af DNA origami skabeloner, " Natur nanoteknologi .

Kilde:California Institute of Technology (nyheder:web)