DNA origami lyser en mikroskopisk glødende Van Gogh op

Ved hjælp af foldet DNA til præcist at placere glødende molekyler i mikroskopiske lysresonatorer, forskere ved Caltech har skabt en af ​​verdens mindste gengivelser af Vincent van Goghs The Starry Night. Reproduktionen og den teknik, der blev brugt til at oprette den, er beskrevet i et papir, der blev offentliggjort i den forudgående online -udgave af tidsskriftet Natur den 11. juli.

Det monokrome billede-bare bredden af ​​en skilling på tværs-var et proof-of-concept-projekt, der demonstrerede, for første gang, hvordan præcisionsplacering af DNA origami kan bruges til at bygge chipbaserede enheder som computerkredsløb i mindre skala end nogensinde før.

DNA origami, udviklet for 10 år siden af ​​Caltechs Paul Rothemund (BS '94), er en teknik, der gør det muligt for forskere at folde en lang streng af DNA til enhver ønsket form. Det foldede DNA fungerer derefter som et stillads, som forskere kan vedhæfte og organisere alle slags komponenter i nanometer-skala, fra fluorescerende molekyler til elektrisk ledende kulnanorør til lægemidler.

"Tænk lidt på det som tavlerne, folk bruger til at organisere værktøjer i deres garager, kun i dette tilfælde, tavlen samler sig fra DNA -tråde, og værktøjerne finder ligeledes deres egne positioner, siger Rothemund, forskningsprofessor i bioingeniør, computing og matematiske videnskaber, og beregning og neurale systemer. "Det hele sker i et reagensglas uden menneskelig indgriben, hvilket er vigtigt, fordi alle delene er for små til effektivt at manipulere, og vi vil tjene milliarder af enheder. "

Processen har potentiale til at påvirke en række forskellige applikationer fra lægemiddellevering til konstruktion af nanoskala computere. Men for mange applikationer, Det er ikke nok at organisere nanoskala komponenter til at oprette enheder på DNA pegboards. enhederne skal forbindes til større kredsløb og skal have en måde at kommunikere med større enheder.

En tidlig tilgang var at lave elektroder først, og spred derefter enheder tilfældigt på en overflade, med forventning om, at mindst nogle få ville lande, hvor det var ønsket, en metode, Rothemund beskriver som "spray og bed".

I 2009, Rothemund og kolleger ved IBM Research beskrev først en teknik, hvorigennem DNA-origami kan placeres på præcise steder på overflader ved hjælp af elektronstråle-litografi til at æde klæbrige bindingssteder, der har samme form som origami. For eksempel, trekantede klæbrige pletter binder trekantet foldet DNA.

I løbet af de sidste syv år har Rothemund og Ashwin Gopinath, senior postdoktor i bioingeniør hos Caltech, har forfinet og udvidet denne teknik, så DNA -former præcist kan placeres på næsten enhver overflade, der bruges til fremstilling af computerchips. I Natur papir, de rapporterer den første anvendelse af teknikken - ved hjælp af DNA origami til at installere fluorescerende molekyler i mikroskopiske lyskilder.

"Det er som at bruge DNA origami til at skrue molekylære pærer i mikroskopiske lamper, ”Siger Rothemund.

I dette tilfælde, lamperne er mikrofabricerede strukturer kaldet fotoniske krystalhulrum (PCC'er), som er indstillet til at resonere ved en bestemt lysbølgelængde, meget ligesom en stemmegaffel vibrerer med en bestemt tonehøjde. Oprettet inden for en tynd glaslignende membran, en PCC har form af en bakterieformet defekt i en ellers perfekt bikage af huller.

"Afhængigt af hullernes nøjagtige størrelse og afstand, en bestemt bølgelængde af lys reflekterer ud af hulrumets kant og bliver fanget indeni, "siger Gopinath, undersøgelsens hovedforfatter. Han byggede PCC'er, der er indstillet til at give genlyd på omkring 660 nanometer, bølgelængden svarer til en dyb nuance af farven rød. Fluorescerende molekyler, der er indstillet til at lyse ved en lignende bølgelængde, lyser lamperne - forudsat at de holder sig til det helt rigtige sted i PCC.

"Et fluorescerende molekyle afstemt til samme farve som et PCC lyser faktisk mere klart inde i hulrummet, men styrken af ​​denne koblingseffekt afhænger stærkt af molekylets position i hulrummet. Et par titalls nanometer er forskellen mellem molekylet, der lyser klart, eller slet ikke, "Siger Gopinath.

Ved at flytte DNA origami gennem PCC'erne i trin på 20 nanometer, forskerne fandt ud af, at de kunne kortlægge et skakbrætmønster af varme og kolde pletter, hvor molekylære pærer enten lysede svagt eller stærkt. Som resultat, de var i stand til at bruge DNA origami til at placere fluorescerende molekyler til at lave lamper af varierende intensitet. Lignende strukturer er blevet foreslået til at drive kvantecomputere og til brug i andre optiske applikationer, der kræver mange små lyskilder integreret sammen på en enkelt chip.

"Alle tidligere arbejdskobling lysemittere til PCC'er skabte kun en håndfuld arbejdslamper, på grund af den ekstraordinære vanskelighed ved reproducerbart at kontrollere antallet og placeringen af ​​emittere i et hulrum, "Gopinath siger. For at bevise deres nye teknologi, forskerne besluttede at skalere op og levere en visuelt overbevisende demonstration. Ved at oprette PCC'er med forskellige antal bindingssteder, Gopinath var i stand til pålideligt at installere et hvilket som helst tal fra nul til syv DNA -origami, giver ham mulighed for digitalt at kontrollere lysstyrken på hver lampe. Han behandlede hver lampe som en pixel med en af ​​otte forskellige intensiteter, og producerede en række på 65, 536 af PCC -pixels (et 256 x 256 pixel -gitter) for at skabe en gengivelse af Van Goghs "The Starry Night".

Nu hvor teamet pålideligt kan kombinere molekyler med PCC'er, de arbejder på at forbedre lysemitterne. I øjeblikket, de fluorescerende molekyler varer cirka 45 sekunder, før de reagerer med ilt og "brænder ud, "og de udsender et par nuancer af rød frem for en enkelt ren farve. At løse begge disse problemer vil hjælpe med applikationer såsom kvantecomputere.

"Bortset fra applikationer, der er meget fundamental videnskab at gøre, "Siger Gopinath.