DNA-styret samling giver nye båndlignende nanostrukturer

(Phys.org)-Videnskabsfolk ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har opdaget, at DNA "linker" -tråde samler stænger i nanostørrelse til at stille sig på en måde i modsætning til andre spontane arrangementer af stangformede objekter. Arrangementet - hvor stængerne danner "trin" på stigelignende bånd forbundet af flere DNA-strenge - er resultatet af de kollektive interaktioner mellem de fleksible DNA-bindinger og kan være unikke for nanoskalaen. Forskningen, beskrevet i et papir offentliggjort online i ACS Nano , et tidsskrift fra American Chemical Society, kunne resultere i fremstilling af nye nanostrukturerede materialer med ønskede egenskaber.

"Dette er en helt ny mekanisme til selvsamling, der ikke har direkte analoger inden for molekylære eller mikroskalasystemer, " sagde Brookhaven fysiker Oleg Gang, hovedforfatter på papiret, som udførte hovedparten af ​​forskningen ved Labs Center for Funktionelle Nanomaterialer.

Brede klasser af stanglignende genstande, lige fra molekyler til vira, udviser ofte typisk flydende krystal-lignende adfærd, hvor stængerne flugter med en retningsafhængig afhængighed, nogle gange med de justerede krystaller, der danner todimensionelle planer over et givet område. Stangformede objekter med stærk retningsbestemthed og tiltrækkende kræfter mellem deres ender, hvilket resulterer, for eksempel, fra polariseret ladningsfordeling - kan nogle gange også opstille ende-til-ende og danne lineære endimensionelle kæder.

Ingen af ​​de typiske arrangementer findes i de DNA-bundne nanoroder.

"Vores opdagelse viser, at et kvalitativt nyt regime dukker op for objekter i nanoskala dekoreret med fleksible molekylære bindinger af sammenlignelige størrelser - et endimensionelt stigelignende lineært arrangement, der vises i fravær af ende-til-ende affinitet blandt stængerne, " sagde Banden.

Alexei Tkachenko, CFN-videnskabsmanden, der udviklede teorien for at forklare det ekstraordinære arrangement, uddybet:"Bemærkelsesværdigt, systemet har alle tre dimensioner at leve i, alligevel vælger den at danne det lineære, næsten endimensionelle bånd. Det kan sammenlignes med, hvordan ekstra dimensioner, som er antaget af højenergifysikere, bliver 'skjulte, så vi befinder os i en 3D-verden."

Tkachenko forklarer, hvordan den stigelignende justering er resultatet af en fundamental symmetribrud:

"Når en nanorod forbindes til en anden side om side, den mister den cylindriske symmetri, den havde, da den havde frie bånd rundt omkring. Derefter, den næste nanorod vil fortrinsvis binde til en anden side af den første, hvor der stadig er tilgængelige DNA-linkere."

DNA som lim

Brug af syntetisk DNA som en form for molekylær lim til at guide nanopartikelsamlingen har været en central tilgang til Gangs forskning på CFN. Hans tidligere arbejde har vist, at strenge af dette molekyle - bedre kendt for at bære den genetiske kode for levende ting - kan trække nanopartikler sammen, når strenge bærer komplementære sekvenser af nukleotidbaser (kendt med bogstaverne A, T, G, og C) bruges som bindebånd, eller inhibere binding, når umatchede strenge anvendes. Omhyggelig kontrol af disse attraktive og hæmmende kræfter kan føre til finjusteret nanoskalateknik.

I den aktuelle undersøgelse, forskerne brugte guld nanorods og enkelte DNA-strenge til at udforske arrangementer lavet med komplementære tøjringer fastgjort til tilstødende stænger. De undersøgte også virkningerne af at bruge linkerstreng af forskellige længder til at tjene som bindingslim.

Efter at have blandet de forskellige kombinationer, de studerede de resulterende arrangementer ved hjælp af ultraviolet-synlig spektroskopi på CFN, og også med småvinklet røntgenspredning ved Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS). De brugte også teknikker til at "fryse" handlingen på forskellige punkter under samlingen og observerede de statiske faser ved hjælp af scanningselektronmikroskopi for at få en bedre forståelse af, hvordan processen skred frem over tid.

De forskellige analysemetoder bekræftede arrangementet side om side af nanoroderne opstillet som trin på et stigelignende bånd under de tidlige stadier af samlingen, efterfulgt senere af stabling af båndene og til sidst større tredimensionel aggregering på grund af dannelsen af ​​DNA-broer mellem båndene.

Denne trinvise monteringsproces, kaldet hierarkisk, minder om selvsamling i mange biologiske systemer (f.eks. koblingen af ​​aminosyrer til kæder efterfulgt af den efterfølgende foldning af disse kæder til dannelse af funktionelle proteiner).

Den trinvise karakter af forsamlingen foreslog teamet, at processen kunne stoppes på mellemstadierne. Brug af "blokker"-strenge af DNA til at binde de resterende frie tøjler på de lineære båndlignende strukturer, de demonstrerede deres evne til at forhindre senere interaktioner, der danner samlede strukturer.

"At stoppe samlingsprocessen på det stigelignende båndstadium kan potentielt anvendes til fremstilling af lineære strukturer med konstruerede egenskaber, " sagde Gang. "For eksempel ved at kontrollere plasmoniske eller fluorescerende egenskaber - materialernes reaktioner på lys - kan vi muligvis lave lyskoncentratorer eller lysledere i nanoskala, og være i stand til at skifte dem efter behov. "