Langsomt afkølet DNA omdanner uordnede nanopartikler til ordnet krystal

Naturen bygger fejlfrie diamanter, safirer og andre ædelstene. Nu er et forskerhold fra Northwestern University det første til at bygge næsten perfekte enkeltkrystaller ud af nanopartikler og DNA, bruger den samme struktur, som naturen foretrækker.

"Enkeltkrystaller er rygraden i mange ting, vi er afhængige af - diamanter til skønhed såvel som industrielle anvendelser, safirer til lasere og silicium til elektronik, " sagde nanoforsker Chad A. Mirkin. "Den præcise placering af atomer inden for et veldefineret gitter definerer disse højkvalitetskrystaller.

"Nu kan vi gøre det samme med nanomaterialer og DNA, livets plan, " sagde Mirkin. "Vores metode kan føre til nye teknologier og endda muliggøre nye industrier, ligesom evnen til at dyrke silicium i perfekte krystallinske arrangementer muliggjorde halvlederindustrien på flere milliarder dollar."

Hans forskergruppe udviklede "opskriften" på at bruge nanomaterialer som atomer, DNA som bindinger og lidt varme til at danne små krystaller. Denne enkeltkrystalopskrift bygger på supergitterteknikker, som Mirkins laboratorium har udviklet i næsten to årtier.

I dette nylige arbejde, Mirkin, en eksperimentalist, gik sammen med Monica Olvera de la Cruz, en teoretiker, at evaluere den nye teknik og udvikle en forståelse af den. Givet et sæt nanopartikler og en specifik type DNA, Olvera de la Cruz viste, at de nøjagtigt kan forudsige 3D-strukturen, eller krystalform, hvori de uordnede komponenter selv samles.

Mirkin er George B. Rathmann-professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences. Olvera de la Cruz er advokat Taylor Professor og professor i materialevidenskab og teknik ved McCormick School of Engineering and Applied Science. De to er senior medforfattere til undersøgelsen.

Resultaterne vil blive offentliggjort 27. november i tidsskriftet Natur .

Det generelle sæt af instruktioner giver forskere hidtil uset kontrol over typen og formen af ​​krystaller, de kan bygge. Northwestern-holdet arbejdede med guld nanopartikler, men opskriften kan anvendes på en række forskellige materialer, med potentielle anvendelser inden for materialevidenskab, fotonik, elektronik og katalyse.

En enkelt krystal har orden:dens krystalgitter er kontinuerlig og ubrudt hele vejen igennem. Fraværet af defekter i materialet kan give disse krystaller unikke mekaniske, optiske og elektriske egenskaber, gør dem meget eftertragtede.

I Northwestern-undersøgelsen, strenge af komplementært DNA fungerer som bindinger mellem uordnede guldnanopartikler, forvandler dem til en velordnet krystal. Forskerne fastslog, at forholdet mellem DNA-linkerens længde og størrelsen af ​​nanopartikler er kritisk.

"Hvis du får det rigtige forhold, bliver det en perfekt krystal - er det ikke sjovt?" sagde Olvera de la Cruz, som også er professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences. "Det er det fascinerende, at du skal have det rigtige forhold. Vi lærer så mange regler for at beregne ting, som andre mennesker ikke kan beregne i atomer, i atomare krystaller."

Forholdet påvirker energien af ​​krystallernes overflader, som bestemmer den endelige krystalform. Forhold, der ikke følger opskriften, fører til store udsving i energi og resulterer i en kugle, ikke en facetteret krystal, forklarede hun. Med det rigtige forhold, energierne svinger mindre og resulterer i en krystal hver gang.

"Forestil dig at have en million kugler i to farver, noget rødt, noget blåt, i en beholder, og du prøver at ryste dem, indtil du får skiftevis røde og blå kugler, Mirkin forklarede. "Det vil aldrig ske.

"Men hvis du vedhæfter DNA, der er komplementært til nanopartikler - det røde har én slags DNA, sige, den blå dens komplement - og nu ryster du, eller i vores tilfælde, bare rør i vand, alle partiklerne vil finde hinanden og binde sammen, " sagde han. "De samles smukt til en tredimensionel krystal, som vi forudsagde beregningsmæssigt og realiserede eksperimentelt."

For at opnå en selvsamlende enkeltkrystal i laboratoriet, forskerholdet rapporterer at tage to sæt guld-nanopartikler udstyret med komplementære DNA-linkerstrenge. Arbejder med cirka 1 million nanopartikler i vand, de opvarmede opløsningen til en temperatur lige over DNA-linkernes smeltepunkt og afkølede derefter langsomt opløsningen til stuetemperatur, hvilket tog to eller tre dage.

Den meget langsomme afkølingsproces tilskyndede det enkeltstrengede DNA til at finde sit komplement, hvilket resulterer i en enkeltkrystal af høj kvalitet, der er cirka tre mikrometer bred. "Processen giver systemet tid og energi nok til, at alle partiklerne kan arrangere sig selv og finde de steder, de skal være i, " sagde Mirkin.

Forskerne fastslog, at længden af ​​DNA forbundet med hver guldnanopartikel ikke kan være meget længere end størrelsen af ​​nanopartiklerne. I undersøgelsen, guld-nanopartiklerne varierede fra fem til 20 nanometer i diameter; for hver, DNA-længden, der førte til krystaldannelse, var omkring 18 basepar og seks enkeltbase "klæbrige ender".

"Der er ingen grund til, at vi ikke kan dyrke ekstraordinært store enkeltkrystaller i fremtiden ved at bruge modifikationer af vores teknik, " sagde Mirkin, som også er professor i medicin, kemisk og biologisk teknik, biomedicinsk teknik og materialevidenskab og teknik og direktør for Northwesterns International Institute for Nanotechnology.

Titlen på papiret er "DNA-medieret nanopartikelkrystallisation i Wulff polyedre."

Ud over Mirkin og Olvera de la Cruz, forfattere af papiret er Evelyn Auyeung (første forfatter), Ting I. N. G. Li, Andrew J. Senesi, Abrin L. Schmucker og Bridget C. Pals, alle fra Northwestern.