DNA nano-støberier støber specialformede 3-D metal nanopartikler

Forskere ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University har afsløret en ny metode til at danne bittesmå 3D-metalnanopartikler i foreskrevne former og dimensioner ved hjælp af DNA, Naturens byggesten, som byggeform.

Evnen til at støbe uorganiske nanopartikler ud af materialer som guld og sølv i præcist designede 3D-former er et væsentligt gennembrud, der har potentialet til at fremme laserteknologi, mikroskopi, solceller, elektronik, miljøtest, sygdomsdetektion og meget mere.

"Vi byggede små støberier lavet af stift DNA til at fremstille metalnanopartikler i nøjagtige tredimensionelle former, som vi digitalt planlagde og designede, " sagde Peng Yin, senior forfatter af avisen, Wyss kernefakultetsmedlem og assisterende professor i systembiologi ved Harvard Medical School.

Wyss-holdets resultater, beskrevet i et papir med titlen "Støbning af uorganiske strukturer med DNA-forme, " blev offentliggjort i dag i Videnskab . Arbejdet blev udført i samarbejde med MIT's Laboratory for Computational Biology and Biophysics, ledet af Mark Bathe, senior medforfatter af papiret.

"Avisens resultater beskriver et betydeligt fremskridt inden for DNA-nanoteknologi såvel som i uorganisk nanopartikelsyntese, " sagde Yin. For allerførste gang, en generel strategi til fremstilling af uorganiske nanopartikler med brugerspecificerede 3D-former er blevet opnået for at producere partikler så små som 25 nanometer eller mindre, med bemærkelsesværdig præcision (mindre end 5 nanometer). Et ark papir er cirka 100, 000 nanometer tyk.

De 3D uorganiske nanopartikler er først udtænkt og omhyggeligt planlagt ved hjælp af computerdesignsoftware. Ved at bruge softwaren, forskerne designer tredimensionelle "rammer" af den ønskede størrelse og form bygget af lineære DNA-sekvenser, som tiltrækker og binder til hinanden på en forudsigelig måde.

"I årenes løb, forskere har haft stor succes med at lave komplekse 3D-former ud fra DNA ved hjælp af forskellige strategier, " sagde Wei Sun, en postdoktor i Wyss' Molecular Systems Lab og hovedforfatteren af ​​papiret. For eksempel, i 2012, Wyss-teamet afslørede, hvordan computerstøttet design kunne bruges til at konstruere hundredvis af forskellige selvsamlende en-, to-, og tredimensionelle DNA-nanoformer med perfekt nøjagtighed. Det er denne evne til at designe vilkårlige nanostrukturer ved hjælp af DNA-manipulation, der inspirerede Wyss-teamet til at forestille sig at bruge disse DNA-strukturer som praktiske støberier, eller "forme", for uorganiske stoffer.

"Udfordringen var at omsætte denne form for 3D geometrisk kontrol til evnen til at støbe strukturer i andre forskellige og funktionelt relevante materialer, såsom guld og sølv, " sagde Sun.

Ligesom ethvert ekspanderende materiale kan formes inde i en form til at antage en defineret 3D-form, Wyss-teamet satte sig for at dyrke uorganiske partikler i de begrænsede hulrum af stive DNA-nanostrukturer

Konceptet kan sammenlignes med den japanske metode med at dyrke vandmeloner i glasterninger. Ved at pleje vandmelonfrø til modenhed inde i terningformede glaskasser, Japanske landmænd skaber terningformede modne meloner, der giver mulighed for tætpakket forsendelse og opbevaring af frugten.

Wyss-forskerne plantede på samme måde et minimalt guld-"frø" inde i det hule hulrum i deres omhyggeligt designede terningformede DNA-form og stimulerede det til at vokse. Ved hjælp af en aktiverende kemisk opløsning, guldfrøet voksede og udvidede sig til at fylde alt eksisterende rum inden for DNA-rammen, resulterer i en kubisk nanopartikel med samme dimensioner som dens form., med længden, bredde og højde af partiklen, der kan styres uafhængigt.

Næste, forskere fremstillede forskellige 3D polygonale former, sfærer, og mere ambitiøse strukturer, såsom en 3D Y-formet nanopartikel og en anden struktur, der omfatter en kubisk form klemt mellem to kugler, beviser, at strukturelt forskelligartede nanopartikler kunne formes ved hjælp af komplekse DNA-formdesigns.

På grund af deres utænkeligt lille størrelse, det kan komme som en overraskelse, at stive DNA-skimmel forholdsmæssigt er ret robuste og stærke, i stand til at modstå presset fra ekspanderende uorganiske materialer. Selvom holdet udvalgte guldkimplanter til at støbe deres nanopartikler, der er en bred vifte af uorganiske nanopartikler, der kan tvangsformes gennem denne proces med DNA-nanocasting.

En meget nyttig egenskab er, at en gang støbt, disse nanopartikler kan fastholde rammen af ​​DNA-formen som en ydre belægning, muliggør yderligere overflademodifikation med imponerende nanoskala-præcision. Disse belægninger kan også hjælpe forskere med at udvikle meget følsomme, multiplex metoder til påvisning af kræft i tidlige stadier og genetiske sygdomme ved at kombinere den kemiske specificitet af DNA'et med signaludlæsningen af ​​metallet. For partikler, der bedre ville tjene deres formål ved at være så elektrisk befordrende som muligt, såsom i meget små nanocomputere og elektroniske kredsløb, DNA-rammebelægningen nedbrydes hurtigt og nemt og fjernes for at producere rene metaltråde og konnektorer.

"DNA's egenskaber, der gør det muligt for det selv at samle og kode for livets byggesten, er blevet udnyttet, nyformålet og nytænkt til nano-fremstilling af uorganiske materialer, sagde Don Ingber, Wyss Institutes stiftende direktør. "Denne evne bør åbne op for helt nye strategier for områder lige fra computerminiaturisering til energi- og patogendetektion."