Skiftbare nanostrukturer lavet med DNA

(PhysOrg.com) - Forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har fundet en ny måde at bruge en syntetisk form for DNA til at kontrollere samlingen af ​​nanopartikler - denne gang, hvilket resulterer i omskiftelige, tredimensionelle og små klyngestrukturer, der kan være nyttige, for eksempel, som biosensorer, i solceller, og som nyt materiale til datalagring. Arbejdet er beskrevet i Natur nanoteknologi, udgivet online 20. december, 2009.

Brookhaven-holdet, ledet af fysiker Oleg Gang, har forfinet teknikker til at bruge strenge af kunstigt DNA som en meget specifik slags velcro eller lim til at forbinde nanopartikler. Sådan DNA-baseret selvsamling lover det rationelle design af en række nye materialer til applikationer i molekylær separation, elektronik, energiomdannelse, og andre felter. Men ingen af ​​disse strukturer har haft evnen til at ændre sig på en programmerbar måde som reaktion på molekylære stimuli - indtil nu.

"Nu bruger vi en speciel type DNA-linkende enhed - en slags 'smart lim' ​​- der påvirker, hvordan partiklerne forbindes for at lave strukturer, der kan skiftes mellem forskellige konfigurationer, ” siger Gang. Denne pålidelige, reversibel switching kunne bruges til at regulere funktionelle egenskaber - f.eks. et materiales fluorescens og energioverførselsegenskaber - for at lave nye materialer, der er lydhøre over for skiftende forhold, eller at ændre deres funktioner efter behov.

En sådan lydhørhed over for ændringer i miljøforhold og evnen til at antage nye former er kendetegnende for levende systemer. På den måde, disse nye nanomaterialer efterligner mere biologiske systemer end nogen tidligere nanostrukturer. Selvom det er langt fra nogen form for virkelig "kunstigt liv, Disse materialer kan føre til design af maskiner i nanoskala, på et meget simpelt niveau, efterligne cellulære processer såsom at konvertere sollys til nyttig energi, eller mærke tilstedeværelsen af ​​andre molekyler. Responsive materialer ville også have fordele inden for optik eller til at producere regulerede porøse materialer til molekylære separationer, Gang siger.

Forskerne nåede målet om lydhørhed ved at skabe strukturer, hvor afstanden mellem nanopartikler kunne kontrolleres omhyggeligt med nanometers nøjagtighed.

"Mange fysiske egenskaber ved nanomaterialer, såsom optiske og magnetiske egenskaber, er stærkt afhængige af afstanden mellem nanopartikler, ”, forklarer Gang.

I deres tidligere studier, forskerne brugte enkeltstrenge af DNA knyttet til individuelle nanopartikler som linkermolekyler. Når de frie ender af disse DNA-strenge havde komplementær genetisk kode, de ville binde sig for at binde partiklerne. Begrænsning af interaktionerne ved at forankre nogle af partiklerne på en overflade gjorde det muligt for forskerne pålideligt at danne en række strukturer fra to-partikelklynger (kaldet dimerer) til mere komplekse 3-D nanopartikelkrystaller.

I det nye værk, forskerne har tilføjet mere komplicerede dobbeltstrengede DNA-strukturer. I modsætning til de enkelte tråde, som spoler sig på ukontrollerbare måder, disse dobbeltstrengede strukturer er mere stive og begrænser derfor afstandene mellem partiklerne.

Derudover nogle af strengene, der udgør de dobbeltstrengede DNA-molekyler, har komplicerede strukturer såsom sløjfer, som trækker de bundne partikler tættere sammen, end når begge tråde er nøjagtigt parallelle. Ved at variere typen af ​​DNA-enhed, mellem løkkede og uløkkede tråde, og måling af interpartikelafstandene ved hjælp af præcisionsteknikker ved Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS) og ved Center for Functional Nanomaterials (CFN), forskerne viste, at de effektivt kunne kontrollere afstanden mellem partiklerne og skifte systemet fra en tilstand til en anden efter behag.

Fremgangsmåden resulterede i to-konfiguration, omskiftelige systemer både i dimere og nanokrystaller, med en afstandsændring på omkring 6 nanometer - omkring 25 procent af interpartikelafstanden. Ved at sammenligne kinetikken i de to systemer, de fandt ud af, at skiftet mellem tilstande er hurtigere i de enklere, to-partikel system. Dimererne bevarer også deres evne til at vende tilbage til deres oprindelige tilstand mere præcist end 3-D krystallerne, tyder på, at molekylær trængsel kan være et problem at undersøge nærmere i 3D-materialerne.

”Vores håb er, at evnen til at fremkalde reorganisering efter montering af disse strukturer ved at tilføje DNA eller andre molekyler som eksterne stimuli, og vores evne til at observere disse ændringer med nanometer opløsning, vil hjælpe os med at forstå disse processer og finde måder at anvende dem i nye former for nanomaskineri, hvor systemets funktionalitet er bestemt af nanopartiklerne og deres relative organisation, ” siger Gang.

Fremtidige undersøgelser vil gøre brug af præcise billeddannelsesmuligheder, såsom avancerede elektronmikroskopiværktøjer på CFN og røntgenteknikker med højere opløsning, der bliver tilgængelige ved Brookhavens nye lyskilde, NSLS-II, nu under opførelse.