(Phys.org) — Door korte sequenties van enkelstrengs DNA te hechten aan bouwstenen op nanoschaal, onderzoekers kunnen structuren ontwerpen die zichzelf effectief kunnen bouwen. De bouwstenen die bedoeld zijn om te verbinden, hebben complementaire DNA-sequenties op hun oppervlak, ervoor zorgen dat alleen de juiste stukjes aan elkaar binden terwijl ze in elkaar verdringen terwijl ze in een reageerbuis hangen.

Nutsvoorzieningen, een team van de Universiteit van Pennsylvania heeft een ontdekking gedaan met implicaties voor al dergelijke zelf-geassembleerde structuren.

Eerder werk ging ervan uit dat het vloeibare medium waarin deze met DNA gecoate stukjes drijven, behandeld zou kunnen worden als een rustig vacuüm, maar het Penn-team heeft aangetoond dat vloeistofdynamica een cruciale rol speelt in het soort en de kwaliteit van de constructies die op deze manier kunnen worden gemaakt.

Terwijl de met DNA gecoate stukjes zichzelf herschikken en binden, ze creëren slipstreams waarin andere stukken kunnen stromen. Dit fenomeen zorgt ervoor dat sommige patronen binnen de structuren zich eerder vormen dan andere.

Het onderzoek werd uitgevoerd door professoren Talid Sinno en John Crocker, naast afgestudeerde studenten Ian Jenkins, Marie Casey en James McGinley, alle van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering in Penn's School of Engineering and Applied Science.

Het werd gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

De ontdekking van het Penn-team begon met een ongewone observatie over een van hun eerdere onderzoeken, die ging over een herconfigureerbare kristallijne structuur die het team had gemaakt met behulp van DNA-gecoate plastic bollen, elk 400 nanometer breed. Deze structuren assembleren aanvankelijk tot slappe kristallen met vierkante patronen, maar, in een proces dat vergelijkbaar is met het thermisch behandelen van staal, hun patronen kunnen worden overgehaald in stabielere, driehoekige configuraties.

Verrassend genoeg, de structuren die ze in het laboratorium maakten, waren beter dan de structuren die hun computersimulaties hadden voorspeld. De gesimuleerde kristallen zaten vol defecten, plaatsen waar het kristallijnen patroon van de bollen werd verstoord, maar de experimenteel gekweekte kristallen waren allemaal perfect uitgelijnd.

Hoewel deze perfecte kristallen een positief teken waren dat de techniek kon worden opgeschaald om verschillende soorten structuren te bouwen, het feit dat hun simulaties duidelijk gebrekkig waren, duidde op een grote hindernis.

"Wat je ziet in een experiment, "Sinno zei, "is meestal een viezere versie van wat je in simulatie ziet. We moeten begrijpen waarom deze simulatietools niet werken als we nuttige dingen gaan bouwen met deze technologie, en dit resultaat was het bewijs dat we dit systeem nog niet volledig begrijpen. Het was niet alleen een simulatiedetail dat ontbrak; er is een fundamenteel fysiek mechanisme dat we niet opnemen."

Door het proces van eliminatie, het ontbrekende fysieke mechanisme bleken hydrodynamische effecten te zijn, eigenlijk, het samenspel tussen de deeltjes en de vloeistof waarin ze tijdens het groeien zweven. De simulatie van de hydrodynamica van een systeem is van cruciaal belang wanneer de vloeistof stroomt, zoals hoe rotsen worden gevormd door een ruisende rivier, maar is als niet relevant beschouwd als de vloeistof stil is, zoals het was in de experimenten van de onderzoekers. Terwijl het gedrang van de deeltjes het medium verstoort, het systeem blijft in evenwicht, wat suggereert dat het totale effect verwaarloosbaar is.

"De conventionele wijsheid, ’ zei Crocker, "was dat je geen rekening hoeft te houden met hydrodynamische effecten in deze systemen. Ze toevoegen aan simulaties is rekenkundig duur, en er zijn verschillende soorten bewijzen dat deze effecten de energie van het systeem niet veranderen. Van daaruit kun je een sprong maken om te zeggen:'Ik hoef me er helemaal geen zorgen over te maken.'"

Deeltjessystemen zoals die gemaakt door deze zelf-assemblerende DNA-gecoate bollen herschikken zichzelf meestal totdat ze de laagste energietoestand bereiken. Een ongebruikelijk kenmerk van het systeem van de onderzoekers is dat er duizenden uiteindelijke configuraties zijn - waarvan de meeste defecten bevatten - die net zo energetisch gunstig zijn als de perfecte die ze in het experiment hebben geproduceerd.

"Het is alsof je in een kamer bent met duizend deuren, "Zei Crocker. "Elk van die deuren brengt je naar een andere structuur, slechts één daarvan is het koper-gouden patroonkristal dat we daadwerkelijk krijgen. Zonder de hydrodynamica, de simulatie zal je even waarschijnlijk door een van die deuren sturen."

De doorbraak van de onderzoekers kwam toen ze zich realiseerden dat, hoewel hydrodynamische effecten de ene uiteindelijke configuratie niet energie-gunstiger zouden maken dan de andere, de verschillende manieren waarop deeltjes zichzelf zouden moeten herschikken om in die toestanden te komen, waren niet allemaal even gemakkelijk. Kritisch, het is gemakkelijker voor een deeltje om een ​​bepaalde herschikking te maken als het volgt in het kielzog van een ander deeltje dat dezelfde bewegingen maakt.

"Het is als slipstreamen, Crocker zei. "De manier waarop de deeltjes samen bewegen, het is alsof ze een school vissen zijn."

"Hoe je gaat, bepaalt wat je krijgt, Sinno zei. "Er zijn bepaalde paden die veel meer slipstreaming hebben dan andere, en de paden die veel hebben, komen overeen met de uiteindelijke configuraties die we in het experiment hebben waargenomen."

De onderzoekers zijn van mening dat deze bevinding de basis zal leggen voor toekomstig werk met deze DNA-gecoate bouwstenen, maar het principe dat in hun onderzoek is ontdekt, zal waarschijnlijk stand houden in andere situaties waarin microscopisch kleine deeltjes in een vloeibaar medium worden gesuspendeerd.

"Als slipstreaming hier belangrijk is, het is waarschijnlijk belangrijk in andere deeltjesassemblages, " zei Sinno. Het gaat niet alleen om deze DNA-gekoppelde deeltjes; het gaat over elk systeem waar je deeltjes van deze grootte hebt. Om echt te begrijpen wat je krijgt, je moet de hydrodynamica meenemen."