Mediets bevægelse har betydning for selvsamlende partikler, viser forskning

(Phys.org) —Ved at knytte korte sekvenser af enkeltstrenget DNA til byggesten i nanoskala, forskere kan designe strukturer, der effektivt kan bygge sig selv. De byggesten, der er beregnet til at forbinde, har komplementære DNA-sekvenser på deres overflader, sikre, at kun de korrekte stykker binder sammen, når de støder ind i hinanden, mens de er ophængt i et reagensglas.

Nu, et team fra University of Pennsylvania har gjort en opdagelse med implikationer for alle sådanne selvsamlede strukturer.

Tidligere arbejde antog, at det flydende medium, hvori disse DNA-coatede stykker flyder, kunne behandles som et roligt vakuum, men Penn-teamet har vist, at væskedynamik spiller en afgørende rolle for arten og kvaliteten af ​​de strukturer, der kan laves på denne måde.

Når de DNA-coatede stykker omarrangerer sig selv og binder, de skaber slipstrømme, som andre stykker kan flyde ind i. Dette fænomen gør, at nogle mønstre i strukturerne er mere tilbøjelige til at dannes end andre.

Forskningen blev udført af professorerne Talid Sinno og John Crocker, sammen med kandidatstuderende Ian Jenkins, Marie Casey og James McGinley, alle fra Institut for Kemi og Biomolekylær Teknik i Penns School of Engineering and Applied Science.

Den blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Penn-holdets opdagelse startede med en usædvanlig observation om en af ​​deres tidligere undersøgelser, som handlede om en rekonfigurerbar krystallinsk struktur, som holdet havde lavet ved hjælp af DNA-coatede plastikkugler, hver 400 nanometer bred. Disse strukturer samles oprindeligt til floppy krystaller med firkantede mønstre, men, i en proces svarende til varmebehandling af stål, deres mønstre kan lokkes til mere stabile, trekantede konfigurationer.

Overraskende nok, de strukturer, de lavede i laboratoriet, var bedre end dem, deres computersimuleringer forudsagde ville resultere. De simulerede krystaller var fulde af defekter, steder, hvor sfærernes krystallinske mønster blev forstyrret, men de eksperimentelt dyrkede krystaller var alle perfekt justeret.

Mens disse perfekte krystaller var et positivt tegn på, at teknikken kunne skaleres op til at bygge forskellige slags strukturer, det faktum, at deres simuleringer åbenbart var fejlbehæftede, indikerede en stor forhindring.

"Det du ser i et eksperiment, "Sinno sagde, "er normalt en mere beskidt version af det, du ser i simulering. Vi er nødt til at forstå, hvorfor disse simuleringsværktøjer ikke virker, hvis vi skal bygge nyttige ting med denne teknologi, og dette resultat var bevis på, at vi ikke helt forstår dette system endnu. Det er ikke kun en simuleringsdetalje, der manglede; der er en grundlæggende fysisk mekanisme, som vi ikke inkluderer."

Ved eliminationsproces, den manglende fysiske mekanisme viste sig at være hydrodynamiske effekter, i det væsentlige, samspillet mellem partiklerne og væsken, som de er suspenderet i, mens de vokser. Simuleringen af ​​et systems hydrodynamik er kritisk, når væsken flyder, såsom hvordan klipper er formet af en brusende flod, men er blevet betragtet som irrelevant, når væsken er stille, som det var i forskernes forsøg. Mens partiklernes stød forstyrrer mediet, systemet forbliver i ligevægt, tyder på, at den samlede effekt er ubetydelig.

"Den konventionelle visdom, Crocker sagde, "var, at du ikke behøver at overveje hydrodynamiske effekter i disse systemer. At føje dem til simuleringer er beregningsmæssigt dyrt, og der er forskellige slags beviser for, at disse effekter ikke ændrer systemets energi. Derfra kan du tage et spring til at sige, "Jeg behøver slet ikke bekymre mig om dem."

Partikelsystemer som dem, der er lavet af disse selvsamlende DNA-coatede kugler, omarrangerer sig typisk, indtil de når den laveste energitilstand. Et usædvanligt træk ved forskernes system er, at der er tusindvis af endelige konfigurationer - de fleste indeholder defekter - der er lige så energisk gunstige som den perfekte, de producerede i eksperimentet.

"Det er som om du er i et rum med tusinde døre, " sagde Crocker. "Hver af disse døre fører dig til en anden struktur, kun én af dem er den kobber-guld mønsterkrystal, vi faktisk får. Uden hydrodynamikken, Det er lige så sandsynligt, at simuleringen sender dig gennem en af ​​disse døre."

Forskernes gennembrud kom, da de indså, at selvom hydrodynamiske effekter ikke ville gøre nogen endelig konfiguration mere energigunstig end en anden, de forskellige måder, partikler skulle bruge for at omarrangere sig selv for at komme til disse stater, var ikke alle lige nemme. Kritisk, det er nemmere for en partikel at lave en vis omlægning, hvis den følger i kølvandet på en anden partikel, der foretager de samme bevægelser.

"Det er ligesom slipstreaming, " sagde Crocker. "Måden partiklerne bevæger sig sammen på, det er som om de er en fiskestime."

"Hvordan du går, bestemmer, hvad du får, " sagde Sinno. "Der er visse stier, der har meget mere slipstreaming end andre, og stierne, der har meget, svarer til de endelige konfigurationer, vi observerede i eksperimentet."

Forskerne mener, at dette fund vil lægge grundlaget for det fremtidige arbejde med disse DNA-coatede byggesten, men princippet opdaget i deres undersøgelse vil sandsynligvis holde stand i andre situationer, hvor mikroskopiske partikler er suspenderet i et flydende medium.

"Hvis slipstreaming er vigtigt her, det er sandsynligvis vigtigt i andre partikelsamlinger, " sagde Sinno. Det handler ikke kun om disse DNA-forbundne partikler; det handler om ethvert system, hvor du har partikler i denne størrelsesskala. For virkelig at forstå, hvad du får, du skal inkludere hydrodynamikken."