Forskning kombinerer DNA-origami og fotolitografi for at komme et skridt tættere på molekylære computere

Molekylære computerkomponenter kunne repræsentere en ny it-revolution og hjælpe os med at skabe billigere, hurtigere, mindre og mere kraftfulde computere. Alligevel kæmper forskerne med at finde måder at samle dem mere pålideligt og effektivt på.

For at hjælpe med at opnå dette undersøgte forskere fra Institut for Fysik ved Det Tjekkiske Videnskabsakademi mulighederne for selvsamling af molekylær maskine, der bygger på løsninger finpudset af naturlig evolution og ved at bruge synergi med den nuværende chipfremstilling.

Der er en grænse for miniaturiseringen af ​​nuværende siliciumbaserede computerchips. Molekylær elektronik ved hjælp af switches og hukommelser i en enkelt molekylestørrelse kunne give en revolution i størrelsen, hastigheden og kapaciteten af ​​computere og samtidig skære ned på deres stigende strømforbrug, men deres masseproduktion er en udfordring. Storskala, lav-defekt, tilgængelig nanofabrikation og samling af komponenterne forbliver uhåndgribelig. Inspiration hentet fra den levende natur kunne ændre denne status quo.

Små prototyper af molekylære kredsløb, der består af et par molekyler, bliver i øjeblikket fremstillet ved scanning-probe-mikroskopi, som manipulerer dem ét molekyle ad gangen ved hjælp af en langsom, tung makroskopisk cantilever.

Prokop Hapala, der ledede undersøgelsen offentliggjort i ACS Nano , sammenligner det med at bygge en delikat mosaik ved hjælp af en enorm kran, en flise ad gangen. Selvmontering kunne løse dette problem, men det skaber andre udfordringer. Hvordan producerer vi for eksempel en række forskellige strukturer, når kun en lille mængde strukturel information kan kodes til interaktioner mellem nogle få funktionelle grupper?

Forskere fra Institut for Fysik ved Det Tjekkiske Videnskabsakademi hentede inspiration fra naturen, hvor funktionelle og strukturelle komponenter er afkoblet i polymerskabeloner som DNA eller RNA. Der repræsenterer sukkerfosfater stilladset, og nukleobaserne, bundet af hydrogenbindinger, sørger for informationslagringen.

Takket være disse bindinger kan disse informative polymerer selv samles til komplekse former og drive selvreplikation eller syntese af andre, mindre molekyler. Denne tilgang er allerede blevet brugt i "DNA origami", som kan producere komplekse molekyler med de ønskede former og funktioner. Men hvordan kan vi skalere processen op og opnå større variation?

"Kendte DNA-basepar - som man naivt kan tro ville være det bedste valg - kan ikke bruges, som de er," forklarer Paolo Nicolini, en af ​​forfatterne. "De fungerer godt i cellen, men det skyldes miljøet og resten af ​​det cellulære maskineri. Under forhold, der er kompatible med nanofabrikation, er de simpelthen ikke selektive nok."

Mithun Manikandan, Paolo Nicolini og Prokop Hapala besluttede at kombinere mulighederne ved DNA-origami og fotolitografi for at udlægge komplekse strukturer af moderne chips. Dette kunne bane vejen for masseproduktion af revolutionære molekylære kredsløb integreret med moderne chip-fremstillingsteknologi – noget, der kunne muliggøre en glidende overgang fra det nuværende computermaskineri til det næste niveau.

For at muliggøre dette foreslog forskerne at erstatte sukkerfosfat-rygraden med lysfølsom diacetylen. De brugte detaljerede simuleringer til at screene for komplementære hydrogenbundne endegrupper, der ville drive selvsamlingen på et gitter under de betingelser, der bruges i chipproduktion.

Diacetylenderivater blev brugt som rygraden, fordi de effektivt kan polymerisere under disse forhold, når de primes ved UV-lys eller elektroninjektion, og enheder analoge med DNA/RNA-baser ("bogstaverne" i den genetiske kode) blev undersøgt i silico som endegrupper at drive samlingen af ​​komponenter i de tilsigtede former.

Målet var at finde komplementære par, hvor to enheder binder sig pålideligt til hinanden og ikke til andre enheder - denne egenskab, igen analog med, hvordan DNA'et virker, ville muliggøre skabelsen af ​​deterministiske komplekse kredsløbsmønstre. Forskerne fandt ud af, at enheder indeholdende rene hydrogendonorendegrupper var særligt velegnede. Seksten lovende kandidatenheder blev fundet, hvilket banede vejen for eksperimentel forskning og eventuelle industrianvendelser.

Resultaterne har interessante implikationer for DNA-beregning og kunstige DNA-analoger. De fleste mulige alfabeter på fire bogstaver fundet i screeningen fandt sted i et meget snævert område med bindingsenergier på 15-25 kcal/mol, og alle var afhængige af en lille undergruppe af de testede slutgrupper.

Selvom kun en lille delmængde af det mulige bogstavrum kunne testes med høj nøjagtighed, tyder dette på, at DNA-alfabetet måske ikke blot er et resultat af en "uheld, der er frosset i tid", men kunne have været en stabil og energisk gunstig mulighed. Der blev ikke fundet alfabeter på seks bogstaver i det testede rum, men nye selektivitetsmekanismer og andre ikke-kovalente bindinger end hydrogenbindinger (såsom halogenbindinger) kunne potentielt muliggøre disse. På lignende måde kunne mulighederne for terapeutiske og farmaceutiske DNA-analoger testes.

Dette arbejde vil yderligere forbedre den syntetiske tilgængelighed af molekylerne og overvinde eksperimentelle begrænsninger. Mens de fleste af os sandsynligvis læser dette på maskiner, der er afhængige af siliciumbaserede transistorer, kan vi snart begynde at skifte til maskiner, der delvist bruger molekylær nanoelektronik. Dette arbejde repræsenterer endnu et skridt hen imod en sådan fremtid.

Flere oplysninger: Mithun Manikandan et al., Computational Design of Photosensitive Polymer Templates To Drive Molecular Nanofabrication, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c10575

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af det tjekkiske videnskabsakademi