Biologi rides til computere hjælpe

Fotoniske krystaller er eksotiske materialer med evnen til at lede lysstråler gennem lukkede rum og kan være vitale komponenter i laveffekt computerchips, der bruger lys i stedet for elektricitet. Omkostningseffektive måder at fremstille dem på har vist sig at være uhåndgribelige, men forskere har for nylig vendt sig mod en overraskende kilde til hjælp:DNA-molekyler.

I et papir, der udkom 18. oktober i journalen Naturmaterialer , MIT forskere, sammen med kolleger ved Scripps Research Institute og University of Rochester, demonstreret, at små partikler af guld og kugler af protein kendt som viruslignende partikler, begge med DNA-strenge knyttet til dem, ville spontant organisere sig i en gitterlignende struktur. Selvom materialerne i sig selv ikke er nyttige til fremstilling af fotoniske krystaller, afstandene mellem partiklerne er præcis dem, der ville gøre det muligt for en fotonisk krystal at lede lys i det synlige spektrum.

Fotoniske krystaller er lavet af materialer med meget forskellige brydningsindekser:Det vil sige, de bøjer lyset i forskellig grad. Afhængig af afstanden mellem materialerne, krystallerne vil reflektere lys af en bestemt bølgelængde med stort set intet tab. At indstille en fotonisk krystal til lys i det synlige spektrum kræver, at materialer kun nanometer fra hinanden, hvilket er svært at gøre med eksisterende fremstillingsteknikker. Til dato, de eneste fotoniske krystaller, der virker i det synlige spektrum, er todimensionelle:De kan reflektere lys, der rejser i ét plan, men ikke i det vinkelrette plan. En fotonisk krystal med dimensionerne af forskernes nye guld-og-protein-gitter, imidlertid, ville reflektere lys i tre dimensioner, et afgørende krav for at bevæge lys gennem de flere lag af en computerchip.

Mærkelige sengekammerater

Abigail Lytton-Jean, en postdoc ved MITs Koch Institute for Integrative Cancer Research og en af ​​det nye papirs to hovedforfattere, begyndte at bruge DNA til at skabe selvsamlende krystaller som kandidatstuderende ved Northwestern University. Hun og hendes rådgiver, Chad Mirkin, sammen med Sung Yong Park, som nu er ved University of Rochester og er medforfatter på det nye papir, også, viste, at vedhæftning af DNA-strenge af forskellige sekvenser til guldnanopartikler ville få dem til at selvorganisere sig til krystaller med forskellige strukturer. Men det er første gang, tricket er blevet udført med flere materialer.

Selvom guld og protein i sig selv ikke er nyttige til fotoniske krystaller, Lytton-Jean siger, "Dette viser mest, at vi har to utroligt forskellige materialer. Vi har et blødt protein af biologisk natur, og så går du til den anden ende af spektret, hvor du har en hård metallisk kugle. Og hvis vi kan gøre dette med disse to typer materialer, du kunne gøre dette med næsten enhver type materiale." Fremtidige fotoniske krystaller, hun forklarer, kunne meget vel bruge kombinationer af metaller og plastik - igen, bløde og hårde materialer.

Men Orlin Velev, Invista professor i North Carolina State Department of Chemical and Biomolecular Engineering, siger, "Jeg tror, ​​at den mere spændende anvendelse er den samlede sammensætning af organiske og uorganiske partikler i en enkelt struktur." Han påpeger, at nanoskalaenheder, der kombinerer biologiske molekyler og metaller, kunne tjene som lægemiddelleveringsanordninger og som billige sensorer som ville være lille nok til at cirkulere gennem kroppen.

Ifølge Daniel Anderson, en lektor i Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology og en medforfatter af papiret, det er endnu en applikation, som MIT-forskerne undersøger. Han nævner, for eksempel, det lovende nye felt af RNA-interferens (RNAi), hvor korte RNA-strenge bruges til at afbryde destruktive biologiske processer. Nanoenheder, der kombinerer organiske og uorganiske molekyler, Anderson siger, kunne "tage potentielt terapeutiske molekyler og få dem derhen, hvor de skal hen." forskernes arbejde blev støttet af National Institutes of Health og Skaggs Institute for Chemical Biology, samt W. M. Keck Foundation,

Velev påpeger, at forskernes arbejde er grundlæggende videnskab, og at det "ikke vil blive brugt i morgen til praktiske anvendelser." Lytton-Jean erkender, at for selv at samle til almindelige krystallinske strukturer, nanopartikler skal være af ensartet størrelse, og at fremstille dem efter præcise specifikationer er på ingen måde trivielt. "For et årti siden, dette ville nok ikke have været muligt, fordi syntesen af ​​guldnanopartikler ikke havde udviklet sig så meget som i dag, ” siger hun. I øvrigt, tilføjer hun, en af ​​grundene til, at hun og hendes kolleger brugte guld og proteinpartikler i deres seneste forsøgsrunde, er, at kemien til at binde DNA til guld og protein er velkendt. Men, tilføjer hun, "Der er blevet gjort et stort arbejde med at modificere polymernanopartikler. Kemien er nok ikke et stort problem.”