(Phys.org) -Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben ontdekt dat DNA-'linker'-strengen staafjes van nanoformaat coaxeren om op een manier te worden uitgelijnd die anders is dan elke andere spontane opstelling van staafvormige objecten. De opstelling - waarbij de staven "sporten" vormen op ladderachtige linten die zijn verbonden door meerdere DNA-strengen - is het resultaat van de collectieve interacties van de flexibele DNA-kabels en kan uniek zijn voor de nanoschaal. Het onderzoek, beschreven in een paper dat online is gepubliceerd in ACS Nano , een tijdschrift van de American Chemical Society, zou kunnen resulteren in de fabricage van nieuwe nanogestructureerde materialen met gewenste eigenschappen.

"Dit is een volledig nieuw mechanisme van zelfassemblage dat geen directe analogen heeft op het gebied van moleculaire of microschaalsystemen, " zei Brookhaven-natuurkundige Oleg Gang, hoofdauteur op het papier, die het grootste deel van het onderzoek uitvoerde in het Centre for Functional Nanomaterials van het Lab.

Brede klassen van staafachtige objecten, variërend van moleculen tot virussen, vertonen vaak typisch vloeibaar kristalachtig gedrag, waar de staven uitlijnen met een richtingsafhankelijkheid, soms met de uitgelijnde kristallen die tweedimensionale vlakken vormen over een bepaald gebied. Staafvormige objecten met een sterke gerichtheid en aantrekkende krachten tussen hun uiteinden, resulterend in, bijvoorbeeld, van gepolariseerde ladingsdistributie - kan soms ook end-to-end op één lijn liggen en lineaire eendimensionale ketens vormen.

Geen van beide typische opstelling wordt gevonden in de DNA-gebonden nanostaafjes.

"Onze ontdekking laat zien dat er een kwalitatief nieuw regime ontstaat voor objecten op nanoschaal die zijn versierd met flexibele moleculaire kettingen van vergelijkbare grootte - een eendimensionale ladderachtige lineaire opstelling die verschijnt in de afwezigheid van end-to-end affiniteit tussen de staven, ' zei Bende.

Alexei Tkachenko, de CFN-wetenschapper die de theorie ontwikkelde om de uitzonderlijke regeling te verklaren, uitgewerkt:"Opmerkelijk, het systeem heeft alle drie dimensies om in te leven, toch kiest het ervoor om de lineaire, bijna eendimensionale linten. Het kan worden vergeleken met hoe extra dimensies die door hoge-energiefysici worden verondersteld, 'verborgen, ' zodat we ons in een 3D-wereld bevinden."

Tkachenko legt uit hoe de ladderachtige uitlijning het resultaat is van een fundamentele symmetriebreking:

"Zodra een nanostaafje naast elkaar met een andere is verbonden, het verliest de cilindrische symmetrie die het had toen het overal vrije kettingen had. Vervolgens, de volgende nanostaaf zal bij voorkeur aan een andere kant van de eerste binden, waar nog DNA-linkers beschikbaar zijn."

DNA als lijm

Het gebruik van synthetisch DNA als een vorm van moleculaire lijm om de assemblage van nanodeeltjes te begeleiden, was een centrale benadering van Gang's onderzoek bij de CFN. Zijn eerdere werk heeft aangetoond dat strengen van dit molecuul - beter bekend om het dragen van de genetische code van levende wezens - nanodeeltjes samen kunnen trekken wanneer strengen complementaire sequenties van nucleotidebasen dragen (bekend onder de letters A, T, G, en C) worden gebruikt als kettingen, of binding remmen wanneer niet-overeenkomende strengen worden gebruikt. Het zorgvuldig beheersen van die aantrekkelijke en remmende krachten kan leiden tot verfijnde engineering op nanoschaal.

In de huidige studie, de wetenschappers gebruikten gouden nanostaafjes en enkele DNA-strengen om arrangementen te onderzoeken die waren gemaakt met complementaire kettingen die aan aangrenzende staven waren bevestigd. Ze onderzochten ook de effecten van het gebruik van linkerstrengen van verschillende lengtes om als bindlijm te dienen.

Na het mengen van de verschillende combinaties, ze bestudeerden de resulterende arrangementen met behulp van ultraviolet-zichtbare spectroscopie bij de CFN, en ook met kleine-hoek röntgenverstrooiing bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source (NSLS). Ze gebruikten ook technieken om de actie op verschillende punten tijdens de montage te "bevriezen" en observeerden die statische fasen met behulp van scanning-elektronenmicroscopie om een ​​beter begrip te krijgen van hoe het proces in de loop van de tijd verliep.

De verschillende analysemethoden bevestigden de zij-aan-zij opstelling van de nanostaafjes, gerangschikt als sporten op een ladderachtig lint tijdens de vroege stadia van assemblage, later gevolgd door het stapelen van de linten en tenslotte op grotere schaal driedimensionale aggregatie door de vorming van DNA-bruggen tussen de linten.

Dit gefaseerde montageproces, hiërarchisch genoemd, doet denken aan zelfassemblage in veel biologische systemen (bijvoorbeeld het koppelen van aminozuren in ketens gevolgd door de daaropvolgende vouwing van deze ketens om functionele eiwitten te vormen).

Het stapsgewijze karakter van de montage suggereerde het team dat het proces in de tussenstadia kon worden gestopt. Met behulp van "blokkerende" DNA-strengen om de resterende vrije koorden op de lineaire lintachtige structuren te binden, ze toonden hun vermogen om de interacties in een later stadium te voorkomen die aggregaatstructuren vormen.

"Het stoppen van het assemblageproces in het ladderachtige lintstadium zou mogelijk kunnen worden toegepast voor de fabricage van lineaire structuren met technische eigenschappen, Gang zei. "Bijvoorbeeld door plasmonische of fluorescerende eigenschappen te beheersen - de reacties van de materialen op licht - kunnen we misschien lichtconcentratoren of lichtgeleiders op nanoschaal maken, en ze op aanvraag kunnen omschakelen."