DNA dobbelt helix gør dobbelt pligt til at samle arrays af nanopartikler

I et nyt twist på brugen af ​​DNA i nanoskalakonstruktion, forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory og samarbejdspartnere satte syntetiske strenge af det biologiske materiale til at virke på to måder:De brugte reblignende konfigurationer af DNA-dobbelthelixen til at danne en stiv geometrisk ramme, og tilføjet dinglende stykker enkeltstrenget DNA for at lime nanopartikler på plads.

Metoden, beskrevet i journalen Natur nanoteknologi , produceret forudsigelige klynger og arrays af nanopartikler - et vigtigt skridt mod design af materialer med skræddersyede strukturer og funktioner til anvendelser inden for energi, optik, og medicin.

"Disse rækker af nanopartikler med forudsigelige geometriske konfigurationer er noget analoge med molekyler lavet af atomer, " sagde Brookhaven fysiker Oleg Gang, som ledede projektet ved Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science brugerfacilitet. "Mens atomer danner molekyler baseret på arten af ​​deres kemiske bindinger, der har ikke været nogen nem måde at påtvinge nanopartikler en sådan specifik rumlig bindingsordning. Det er netop det problem, som vores metode adresserer."

Ved hjælp af den nye metode, forskerne siger, at de potentielt kan orkestrere arrangementerne af forskellige typer nanopartikler for at drage fordel af kollektive eller synergistiske effekter. Eksempler kunne omfatte materialer, der regulerer energiflow, dreje lyset, eller levere biomolekyler.

"Vi kan muligvis designe materialer, der efterligner naturens maskineri til at høste solenergi, eller manipulere lys til telekommunikationsapplikationer, eller designe nye katalysatorer til at fremskynde en række kemiske reaktioner, " sagde Banden.

Forskerne demonstrerede teknikken til at konstruere nanopartikelarkitekturer ved hjælp af et oktaedrisk stillads med partikler placeret på præcise steder på stilladset i henhold til specificiteten af ​​DNA-kodning. Designene inkluderede to forskellige arrangementer af det samme sæt partikler, hvor hver konfiguration havde forskellige optiske egenskaber. De brugte også de geometriske klynger som byggesten til større arrays, inklusive lineære kæder og todimensionelle plane plader.

"Vores arbejde demonstrerer denne tilgangs alsidighed og åbner op for adskillige spændende muligheder for højtydende præcisionssamling af skræddersyede 3D-byggeklodser, hvori flere nanopartikler af forskellige strukturer og funktioner kan integreres, " sagde CFN-forsker Ye Tian, en af ​​hovedforfatterne på papiret.

Detaljer om montering

Denne konstruktionstilgang i nanoskala udnytter to nøglekarakteristika ved DNA-molekylet:den dobbelte helixform med snoet stige, og den naturlige tendens af strenge med komplementære baser (A, T, G, og C-bogstaver i den genetiske kode) for at parre sig på en præcis måde.

Først, forskerne skabte bundter af seks dobbelthelix-molekyler, sæt derefter fire af disse bundter sammen for at lave en stald, noget stift byggemateriale - svarende til den måde, individuelle fibrøse tråde væves sammen til et meget stærkt reb. Forskerne brugte derefter disse reblignende dragere til at danne rammen af ​​tredimensionelle oktaeder, "hæfter" de lineære DNA-kæder sammen med hundredvis af korte komplementære DNA-strenge.

"Vi omtaler disse som DNA-origami-oktaedere, " sagde Banden.

For at gøre det muligt at "lime" nanopartikler til 3D-rammerne, forskerne konstruerede hver af de originale seks-helix bundter til at have en helix med et ekstra enkeltstrenget stykke DNA, der stikker ud fra begge ender. Når de er samlet i 3D-oktaedrene, hvert hjørne af rammen havde et par af disse "klæbende ende"-tethere tilgængelige til binding med objekter belagt med komplementære DNA-strenge.

"When nanoparticles coated with single strand tethers are mixed with the DNA origami octahedrons, the 'free' pieces of DNA find one another so the bases can pair up according to the rules of the DNA complementarity code. Thus the specifically DNA-encoded particles can find their correspondingly designed place on the octahedron vertices" Gang said.

The scientists can change what binds to each vertex by changing the DNA sequences encoded on the tethers. In one experiment, they encoded the same sequence on all the octahedron's tethers, and attached strands with a complementary sequence to gold nanoparticles. The result:One gold nanoparticle attached to each of octahedron's six vertices.

In additional experiments the scientists changed the sequence of some vertices and used complementary strands on different kinds of particles, illustrating that they could direct the assembly and arrangement of the particles in a very precise way. In one case they made two different arrangements of the same three pairs of particles of different sizes, producing products with different optical properties. They were even able to use DNA tethers on selected vertices to link octahedrons end to end, forming chains, and in 2D arrays, forming sheets.

Visualization of arrays

Confirming the particle arrangements and structures was a major challenge because the nanoparticles and the DNA molecules making up the frames have very different densities. Certain microscopy techniques would reveal only the particles, while others would distort the 3D structures.

To see both the particles and origami frames, the scientists used cryo-electron microscopy (cryo-EM), led by Brookhaven Lab and Stony Brook University biologist Huilin Li, an expert in this technique, and Tong Wang, the paper's other lead co-author, who works in Brookhaven's Biosciences department with Li. They had to subtract information from the images to "see" the different density components separately, then combine the information using single particle 3D reconstruction and tomography to produce the final images.

"Cryo-EM preserves samples in their near-native states and provides close to nanometer resolution, " Wang said. "We show that cryo-EM can be successfully applied to probe the 3D structure of DNA-nanoparticle clusters."

These images confirm that this approach to direct the placement of nanoparticles on DNA-encoded vertices of molecular frames could be a successful strategy for fabricating novel nanomaterials.