DNA-kunst efterligner livet:Konstruktion af en Mobius-strimmel i nanoskala

Den gådefulde Mobius-stribe har længe været et objekt for fascination, optræder i talrige kunstværker, mest berømt et træsnit af hollænderen M.C. Escher, hvor en stamme af myrer krydser formens enkelt, uendelig overflade.

Forskere ved Biodesign Institute ved Arizona State University og Institut for Kemi og Biokemi, ledet af Hao Yan og Yan Liu, har nu gengivet formen i en bemærkelsesværdig lille skala, sammenflette fletningslignende segmenter af DNA for at skabe Möbius-strukturer, der kun måler 50 nanometer på tværs - omtrent bredden af ​​en viruspartikel.

Til sidst, forskere håber at kunne udnytte de unikke materialeegenskaber ved sådanne nano-arkitekturer, anvende dem til udvikling af biologiske og kemiske sensorer, nanolitografi, lægemiddelleveringsmekanismer reduceret til molekylær skala og en ny race af nanoelektronik.

Holdet brugte en alsidig byggemetode kendt som DNA-origami og i en dramatisk forlængelse af teknikken, (som de refererer til som DNA Kirigami), de skærer de resulterende Möbius-former langs deres længde for at producere snoede ringstrukturer og sammenlåsende løkker kendt som catenaner.

Deres arbejde vises i dagens avancerede onlineudgave af tidsskriftet Natur nanoteknologi . Kandidatstuderende involveret i dette arbejde inkluderer Dongran Han og Suchetan Pal i Yan-gruppen.

Det er nemt at lave en Möbius-strimmel i hverdagens verden. Klip en smal strimmel papir, før de to ender af strimlen tæt på hinanden, så de passer sammen, men giv dem et halvt vrid, inden du fastgør enderne sammen med et stykke scotch tape. Den resulterende Möbius-strimmel, som kun har én overflade og én grænsekant, er et eksempel på en topologisk form.

"Som nanoarkitekter, " Yan siger, "vi stræber efter at skabe to klasser af struktur - geometrisk og topologisk." Geometriske strukturer i to og tre dimensioner findes i overflod i den naturlige verden, fra komplekse krystalformer til søstjerner, og encellede organismer som kiselalger. Yan citerer sådanne naturlige former som en grænseløs inspirationskilde til menneskedesignede nanostrukturer.

Topologi, en gren af ​​matematikken, beskriver de rumlige egenskaber af former, der kan være snoet, strakt eller på anden måde deformeret for at give nye former. Sådanne formdeformationer kan dybt ændre et objekts geometri, som når en donut-form klemmes og strækkes til en otte-tal, men overfladetopologien af ​​sådanne former er upåvirket.

Naturen er også rig på topologiske strukturer, Yan bemærker, inklusive den elegante Möbius. Cirkulationerne af jordens varmere og køligere havstrømme f.eks. beskriv en Möbius-form. Andre topologiske strukturer er fælles for biologiske systemer, især i tilfælde af DNA, hvoraf de 3 milliarder kemiske baser er pakket af kromosomet inde i cellen, ved hjælp af topologiske strukturer. "I bakterier, plasmid DNA er viklet ind i en supercoil, " Yan forklarer. "Så kan enzymerne komme ind og skære og rekonfigurere topologien for at lindre vridningen i superspolen, så alle de andre cellulære maskineri kan få adgang til genet til replikation, transskription og så videre."

For at danne Möbius-striben i den nuværende undersøgelse, gruppen stolede på egenskaber ved selvsamling, der er iboende i DNA. En DNA-streng er dannet af kombinationer af 4 nukleotidbaser, adenin (A), thymin (T), cytosin (C) og guanin (G), som følger hinanden på tråden som halskædeperler. Disse nukleotidperler kan binde til hinanden efter en streng regel:A parrer altid med T, C med G. Således, et sekund, komplementær DNA-streng binder til den første og danner DNA-dobbelthelixen.

I 2006 Paul Rothemund ved Cal Tech demonstrerede, at processen med DNA-selvsamling kunne bruges til at producere prædesignede 2D-nanoarkitekturer af forbløffende variation. Dermed, DNA-origami opstod som et kraftfuldt værktøj til nanostrukturdesign. Metoden bygger på en lang, enkeltstrenget DNA-segment, bruges som et strukturelt stillads og ført gennem baseparring for at antage en ønsket form. Kort, kemisk syntetiserede "hæftestrenge, " sammensat af komplementære baser bruges til at holde strukturen på plads.

Efter syntese og blanding af DNA-hæfteklammer og stilladsstrenge, strukturen er i stand til at samle sig selv i et enkelt trin. Teknikken er blevet brugt til at producere bemærkelsesværdige nanostrukturer af smiley ansigter, firkanter, diske, geografiske kort, og endda ord, i en skala på 100 nm eller mindre. Men skabelsen af ​​topologiske former, der er i stand til at rekonfigurere, som dem, der er produceret af naturen, har vist sig mere udfordrende.

Da de små Möbius-strukturer var blevet skabt, de blev undersøgt med atomkraft- og transmissionselektronmikroskopi. De opsigtsvækkende billeder bekræfter, at DNA-origami-processen effektivt producerede Escher-lignende Möbius-strimler, der målte mindre end en tusindedel af bredden af ​​et menneskehår. Yan bemærker, at Möbius-formerne viste både højre- og venstrehåndede drejninger. Billeddannelse gjorde det muligt at bestemme håndheden eller chiraliteten af ​​hver fladtrykt nanostruktur, baseret på højdeforskelle observeret ved de overlappende områder.

Næste, holdet demonstrerede den topologiske fleksibilitet af de producerede Möbius-former, ved hjælp af en folde- og skære- eller DNA Kirigami-teknik. Möbius kan modificeres ved at skære langs strimlen på forskellige steder. Skæring af en Möbius langs dens midterlinje giver en ny struktur - en løkkeformet form, der indeholder en drejning på 720 grader eller 4 halve drejninger. Designet, som gruppen kalder en Kirigami-Ring er ikke længere en Möbius, da den har to kanter og to overflader. Möbius kan også skæres langs dens længde en tredjedel af vejen i dens bredde, producerer en Kirigami-Catenane - en Möbius-strimmel forbundet med en supersnoet ring.

For nøjagtigt at skære Möbius nanostrukturerne, en teknik kendt som strengforskydning blev brugt, hvor de DNA-hæfteklammer, der holder den centrale helix på plads, er udstyret med såkaldte tåhold-strenge, som rager ud fra den centrale helix. En komplementær streng binder sig til tåholdssegmentet, fjerne hæfteklammerne og lade Möbius'en falde åben ind i enten Kirigami-ringen eller Kirigami-Catenane.

Igen, den vellykkede syntese af disse former blev bekræftet gennem mikroskopi, med Kirigami-Ring-strukturerne, der gradvist slapper af til ottetal.

Yan understreger, at succesen med den nye undersøgelse i høj grad var afhængig af hovedforfatteren Dongran Han's bemærkelsesværdige følelse af tredimensionelt rum, giver ham mulighed for at designe geometriske og topologiske strukturer i sit hoved. "Han og også Pal er særligt dygtige studerende, " Yan siger, påpeger, at den komplekse konceptualisering af nanoarkitekturerne i deres forskning primært udføres uden computerhjælp. Gruppen håber i fremtiden at skabe software, der er i stand til at forenkle processen.

"Vi ønsker at skubbe Origami-Kirigami-teknologien til at skabe mere sofistikerede strukturer for at demonstrere, at vi kan lave enhver vilkårlig form eller topologi ved hjælp af selvsamling, " siger Han.

Efter at have gjort indtog i skulptur, maleri og endda litteratur, (især, den franske forfatter Alain Robbe-Grillets romaner), topologiske strukturer er nu klar til at påvirke den videnskabelige udvikling i den mindste skala.