(Phys.org) —Verborgen in een kleine tegel van verweven DNA is een boodschap. De boodschap is simpel, maar het decoderen ervan ontsluit het geheim van dynamische assemblage op nanoschaal.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben een dynamische en omkeerbare manier bedacht om structuren op nanoschaal samen te stellen en deze te gebruiken om een ​​morsecodebericht te versleutelen. Onder leiding van Yi Lu, de Schenck hoogleraar scheikunde, het team publiceerde zijn ontwikkeling in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Wetenschappers en ingenieurs die met materialen op nanoschaal werken, gebruiken een belangrijke techniek, programmeerbare assemblage genaamd, om eenvoudige bouwstenen strategisch te combineren tot grotere functionele componenten of structuren. Een dergelijke montage is belangrijk voor toepassingen in de elektronica, fotonica, medicijnen en nog veel meer.

De meeste standaard nano-assemblagetechnieken leveren een bepaalde, statisch product. Maar kijkend naar de biologie, Lu zag veel dynamische assemblages:omkeerbare bouwprocessen, of vervangingen die na montage kunnen worden gemaakt om een ​​functie toe te voegen of te wijzigen. Een dergelijke veelzijdigheid zou veel meer toepassingen voor materialen op nanoschaal mogelijk maken, dus ging de groep van Lu op zoek naar systemen op nanoschaal die betrouwbaar en omkeerbaar konden assembleren.

"Ik denk dat een cruciale uitdaging voor wetenschap en techniek op nanoschaal de omkeerbare montage is, " zei Lu. "Onderzoekers zijn nu redelijk goed in het plaatsen van componenten op de plaatsen die ze willen, maar niet zo goed in iets aantrekken en weer uittrekken. Veel toepassingen hebben dynamische montage nodig. Je wilt het niet een keer in elkaar zetten, je wilt het herhaaldelijk doen, en niet alleen hetzelfde onderdeel gebruiken, maar ook nieuwe componenten."

De groep maakte gebruik van een chemisch systeem dat veel voorkomt in de biologie. Het eiwit streptavidine bindt zich zeer sterk aan het kleine organische molecuul biotine – het grijpt zich vast en laat niet meer los. Een kleine chemische aanpassing aan biotine levert een molecuul op dat ook bindt aan streptavidine, maar houdt hem losjes vast.

De onderzoekers begonnen met een sjabloon van DNA-origami - meerdere strengen DNA die in een tegel zijn geweven. Ze "schreven" hun boodschap in het DNA-sjabloon door biotine-gebonden DNA-strengen te bevestigen aan specifieke locaties op de tegels die zouden oplichten als stippen of streepjes. In de tussentijd, DNA gebonden aan het biotinederivaat vulde de andere posities op de DNA-matrijs.

Daarna baadden ze de tegels in een streptavidine-oplossing. Het streptavidine bindt zich aan zowel het biotine als zijn derivaat, alle vlekken laten "oplichten" onder een atoomkrachtmicroscoop en de boodschap camoufleren. Om de verborgen boodschap te onthullen, de onderzoekers stopten de tegels vervolgens in een oplossing van gratis biotine. Omdat het zoveel sterker aan streptavidine bindt, de biotine verwijderde het eiwit effectief uit het biotinederivaat, zodat alleen de DNA-strengen die aan het ongewijzigde biotine vastzaten hun streptavidine vasthielden. De Morsecode-boodschap, "NANO, " was duidelijk leesbaar onder de microscoop.

De onderzoekers toonden ook niet-morsekarakters aan, het creëren van tegels die heen en weer konden schakelen tussen een hoofdletter "I" en een kleine "i", terwijl afwisselend streptavidine en biotine werden toegevoegd.

"Dit is een belangrijke stap voorwaarts voor assemblage op nanoschaal, " zei Lu. "Nu kunnen we berichten coderen op veel kleinere schaal, wat interessant is. Er is meer informatie per vierkante inch. Maar de belangrijkste vooruitgang is dat nu we omkeerbare montage kunnen uitvoeren, we kunnen veel veelzijdiger verkennen, veel dynamischere toepassingen."

Volgende, de onderzoekers zijn van plan hun techniek te gebruiken om andere functionele systemen te creëren. Lu stelt zich het assembleren van systemen voor om een ​​taak in de chemie uit te voeren, biologie, voelen, fotonica of ander gebied, dan een onderdeel vervangen om het systeem een ​​extra functie te geven. Omdat de sleutel tot omkeerbaarheid ligt in de verschillende bindingssterkten, de techniek is niet beperkt tot het biotine-streptavidinesysteem en zou voor een verscheidenheid aan moleculen en materialen kunnen werken.

"Zolang de moleculen die in de assemblage worden gebruikt twee verschillende affiniteiten hebben, we kunnen dit specifieke concept toepassen in andere sjablonen of processen, ' zei Lu.