Reversibel samling fører til små krypterede beskeder

(Phys.org) — Skjult i en lille flise af indvævet DNA er et budskab. Budskabet er enkelt, men afkodning af det låser op for hemmeligheden bag dynamisk nanoskala-samling.

Forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har udtænkt en dynamisk og reversibel måde at samle nanoskalastrukturer på og brugt den til at kryptere en morsekodemeddelelse. Anført af Yi Lu, Schenck professor i kemi, holdet offentliggjorde sin udvikling i Journal of the American Chemical Society .

Forskere og ingeniører, der arbejder med materialer i nanoskala, bruger en vigtig teknik kaldet programmerbar samling til strategisk at kombinere simple byggeklodser til større funktionelle komponenter eller strukturer. En sådan samling er vigtig for applikationer inden for elektronik, fotonik, medicin og meget mere.

De fleste standard nano-samlingsteknikker giver en særlig, statisk produkt. Men ser man på biologi, Lu så en masse dynamiske samlinger:reversible byggeprocesser, eller udskiftninger, der kunne foretages efter montering for at tilføje eller ændre funktion. En sådan alsidighed kunne muliggøre mange flere applikationer til materialer i nanoskala, så Lus gruppe satte sig for at udforske nanoskalasystemer, der kunne samles pålideligt og reversibelt.

"Jeg tror, ​​at en kritisk udfordring for videnskab og teknik på nanoskala er reversibel montering, " sagde Lu. "Forskere er nu ret gode til at placere komponenter på steder, de ønsker, men ikke særlig god til at tage noget på og tage det af igen. Mange applikationer har brug for dynamisk samling. Du ønsker ikke bare at samle det én gang, du ønsker at gøre det gentagne gange, og ikke kun bruge den samme komponent, men også nye komponenter."

Gruppen udnyttede et kemisk system, der er almindeligt inden for biologi. Proteinet streptavidin binder sig meget stærkt til det lille organiske molekyle biotin – det griber fat og slipper ikke. En lille kemisk justering af biotin giver et molekyle, der også binder til streptavidin, men holder det løst.

Forskerne startede med en skabelon af DNA-origami - flere DNA-strenge vævet ind i en flise. De "skrev" deres budskab i DNA-skabelonen ved at fastgøre biotinbundne DNA-strenge til bestemte steder på fliserne, der ville lyse op som prikker eller streger. I mellemtiden DNA bundet til biotinderivatet udfyldte de andre positioner på DNA-skabelonen.

Derefter badede de fliserne i en streptavidinopløsning. Streptavidin bundet til både biotin og dets derivat, at få alle pletterne til at "lyse op" under et atomkraftmikroskop og camouflere budskabet. For at afsløre den skjulte besked, forskerne satte derefter fliserne i en opløsning af fri biotin. Da det binder til streptavidin så meget stærkere, biotinet fjernede effektivt proteinet fra biotinderivatet, således at kun de DNA-strenge, der er knyttet til det uændrede biotin, holdt fast i deres streptavidin. Morsekoden besked, "NANO, " kunne tydeligt læses under mikroskopet.

Forskerne viste også ikke-morse-karakterer, skabe fliser, der kunne skifte frem og tilbage mellem et stort "I" og et lille "i", da streptavidin og biotin skiftevis blev tilføjet.

"Dette er et vigtigt skridt fremad for samling i nanoskala, " sagde Lu. "Nu kan vi kode beskeder i meget mindre skala, hvilket er interessant. Der er flere oplysninger pr. kvadrattomme. Men det vigtigere fremskridt er, at nu hvor vi kan udføre reversibel montering, vi kan udforske meget mere alsidigt, meget mere dynamiske applikationer."

Næste, forskerne planlægger at bruge deres teknik til at skabe andre funktionelle systemer. Lu forestiller sig at samle systemer til at udføre en opgave inden for kemi, biologi, sansning, fotonik eller andet område, derefter udskiftning af en komponent for at give systemet en ekstra funktion. Da nøglen til reversibilitet ligger i de forskellige bindingsstyrker, teknikken er ikke begrænset til biotin-streptavidin-systemet og kan fungere for en række forskellige molekyler og materialer.

"Så længe de molekyler, der bruges i samlingen, har to forskellige affiniteter, vi kan anvende dette særlige koncept i andre skabeloner eller processer, " sagde Lu.