DNA former sig til at være en ideel ramme for rationelt designede nanostrukturer

En terning, en oktaeder, et prisme - disse er blandt de flerhedede strukturer, eller rammer, lavet af DNA, som forskere ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har designet til at forbinde nanopartikler til en række præcist strukturerede tredimensionelle (3D) gitter. Forskerne udviklede også en metode til at integrere nanopartikler og DNA -rammer i sammenkoblede moduler, udvide mangfoldigheden af ​​mulige strukturer.

Disse præstationer, beskrevet i artikler offentliggjort i Naturmaterialer og Naturkemi , kunne muliggøre et rationelt design af nanomaterialer med forbedret eller kombineret optisk, elektrisk, og magnetiske egenskaber for at opnå ønskede funktioner.

"Vi sigter mod at skabe selvsamlede nanostrukturer ud fra tegninger, "sagde fysikeren Oleg Gang, der ledede denne forskning på Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science User Facility i Brookhaven. "Strukturen af ​​vores nanopartikelsamlinger styres for det meste af formen og bindingsegenskaberne af præcist designede DNA -rammer, ikke af nanopartiklerne selv. Ved at give os mulighed for at konstruere forskellige gitter og arkitekturer uden at skulle manipulere partiklerne, vores metode åbner op for store muligheder for at designe nanomaterialer med egenskaber, der kan forbedres ved præcist at organisere funktionelle komponenter. For eksempel, vi kunne skabe målrettede lysabsorberende materialer, der udnytter solenergi, eller magnetiske materialer, der øger informationskapacitet. "

Designede rammer til ønskede strukturer

Bands team har tidligere udnyttet DNAs komplementære baseparring - den meget specifikke binding af baser kendt med bogstaverne A, T, G, og C, der udgør trinene i DNA-dobbelt-helix "stigen"-for at bringe partikler sammen på en præcis måde. Partikler overtrukket med enkelte tråde af DNA forbinder til partikler overtrukket med komplementære tråde (A binder med T og G binder med C), mens afstødende partikler belagt med ikke-komplementære tråde.

De har også designet 3D-DNA-rammer, hvis hjørner har enkeltstrengede DNA-bindere, som nanopartikler belagt med komplementære tråde kan binde til. Når forskerne blander disse nanopartikler og rammer, komponenterne samler sig selv til gitter, der hovedsageligt er defineret af formen på den designede ramme. Nature Materials -papiret beskriver de seneste strukturer opnået ved hjælp af denne strategi.

"I vores tilgang, vi bruger DNA -rammer til at fremme de retningsbestemte interaktioner mellem nanopartikler, så partiklerne forbinder sig til specifikke konfigurationer, der opnår de ønskede 3D -arrays, "sagde Ye Tian, hovedforfatter på Naturmaterialer papir og medlem af Gang's forskerhold. "Geometrien for hver partikelforbindende ramme er direkte relateret til gittertypen, selvom den nøjagtige karakter af dette forhold stadig undersøges. "

Indtil nu, teamet har designet fem polyhedrale rammeformer - en terning, en oktaeder, en aflang firkantet bipyramid, et prisme, og en trekantet bypyramid - men en række andre former kunne skabes.

"Ideen er at konstruere forskellige 3D -strukturer (bygninger) af den samme nanopartikel (mursten), "sagde Gang." Normalt, partiklerne skal modificeres for at producere de ønskede strukturer. Vores tilgang reducerer strukturens afhængighed af partikelens karakter betydeligt, som kan være guld, sølv, jern, eller andet uorganisk materiale. "

DNA origami

For at designe rammerne, holdet brugte DNA origami, en selvsamlet teknik, hvor korte syntetiske DNA-tråde (hæfteklammer) blandes med en længere enkelt streng af biologisk afledt DNA (stilladsstreng). Når forskerne opvarmer og køler denne blanding, hæfteklammerne selektivt binder med eller "hæfter" stilladsstrengen, forårsager stilladsstrengen gentagne gange at folde over på sig selv. Computersoftware hjælper dem med at bestemme de specifikke sekvenser for foldning af DNA'et i ønskede former.

Foldningen af ​​det enkeltstrengede DNA-stillads introducerer forankringspunkter, der indeholder frie "klæbrige" ender-uparede strenge af DNA-baser-hvor nanopartikler overtrukket med komplementære enkeltstrengede bånd kan fastgøres. Disse klæbrige ender kan placeres hvor som helst på DNA -rammen, men Gangs team valgte hjørnerne, så flere rammer kunne forbindes.

For hver stelform, antallet af DNA -tråde, der forbinder et rammehjørne med en individuel nanopartikel, svarer til antallet af kanter, der konvergerer i det hjørne. Kube- og prisme -rammerne har tre tråde i hvert hjørne, for eksempel. Ved at lave disse hjørnetænder med varierende antal baser, forskerne kan indstille fleksibiliteten og længden af ​​partikelrammeforbindelserne.

Interpartiklens afstande bestemmes af længderne af rammekanterne, som er snesevis af nanometer i rammerne designet til dato, men forskerne siger, at det burde være muligt at skræddersy rammerne for at opnå de ønskede dimensioner.

Forskerne verificerede rammestrukturer og nanopartikelarrangementer gennem kryo-elektronmikroskopi (en type mikroskopi udført ved meget lave temperaturer) ved CFN og Brookhaven's biologiske afdeling, og røntgenspredning ved National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science User Facility i Brookhaven.

Fra mursten til Legos

I Naturkemi papir, Bands team beskrev, hvordan de brugte en lignende DNA-baseret tilgang til at skabe programmerbare todimensionale (2D), firkantede DNA-rammer omkring enkelte nanopartikler.

DNA -tråde inde i rammerne giver kobling til komplementært DNA på nanopartiklerne, i det væsentlige holde partiklen inde i rammen. Hver yderside af rammen kan kodes individuelt med forskellige DNA -sekvenser. Disse ydre DNA-tråde styrer frame-frame-genkendelse og forbindelse.

Gang sammenligner disse DNA-indrammede nanopartikelmoduler med Legos, hvis interaktioner er programmeret:"Hvert modul kan indeholde en anden slags nanopartikel og sammenlåse til andre moduler på forskellige, men specifikke måder, fuldstændigt bestemt af den komplementære parring af DNA -baserne på siderne af rammen. "

Med andre ord, rammerne bestemmer ikke kun, om nanopartiklerne vil forbinde, men også hvordan de vil forbinde. Programmering af rammesiderne med specifikke DNA -sekvenser betyder, at kun rammer med komplementære sekvenser kan koble sig sammen.

At blande forskellige typer moduler sammen kan give en række forskellige strukturer, ligner de konstruktioner, der kan genereres fra Lego -brikker. Ved at oprette et bibliotek med modulerne, forskerne håber at kunne samle strukturer efter behov.

Forudsigelig samling af multifunktionelle nanomaterialer

Forbindelsernes selektivitet gør det muligt at kombinere forskellige typer og størrelser af nanopartikler til enkeltstrukturer.

Forbindelsernes geometri, eller hvordan partiklerne er orienteret i rummet, er meget vigtig for at designe strukturer med ønskede funktioner. For eksempel, optisk aktive nanopartikler kan arrangeres i en bestemt geometri for at rotere, filter, absorbere, og udsender lys-funktioner, der er relevante for energihøst-applikationer, såsom skærme og solpaneler.

Ved at bruge forskellige moduler fra "biblioteket, "Bands team demonstrerede selvsamlingen af ​​endimensionale lineære arrays, "zigzag" kæder, firkantede og krydsformede klynger, og 2D firkantede gitter. Forskerne genererede endda en forenklet nanoskala -model af Leonardo da Vincis Vitruvianske mand.

"Vi ville demonstrere, at komplekse nanopartikelarkitekturer kan samles ved hjælp af vores tilgang, "sagde Gang.

Igen, forskerne brugte sofistikerede billeddannelsesteknikker-elektron- og atomkraftmikroskopi ved CFN og røntgenstråling ved NSLS-II-for at kontrollere, at deres strukturer var i overensstemmelse med de foreskrevne designs og for at studere samlingsprocessen i detaljer.

"Selvom der kræves mange yderligere undersøgelser, vores resultater viser, at vi gør fremskridt mod vores mål om at skabe designet stof via selvsamling, herunder periodiske partikelarrays og komplekse nanoarchitectures med friformsformer, "sagde Gang." Vores tilgang er spændende, fordi det er en ny platform for nanoskala fremstilling, en, der kan føre til en række forskellige rationelt designede funktionelle materialer. "