Wetenschappers die manieren zoeken om de assemblage van kleine deeltjes van slechts miljardsten van een meter te construeren, hebben een nieuwe primeur bereikt:de vorming van een enkele laag nanodeeltjes op een vloeibaar oppervlak waar de eigenschappen van de laag gemakkelijk kunnen worden veranderd. Inzicht in de assemblage van dergelijke nanogestructureerde dunne films zou kunnen leiden tot het ontwerp van nieuwe soorten filters of membranen met een variabele mechanische respons voor een breed scala aan toepassingen. In aanvulling, omdat de wetenschappers minuscule synthetische DNA-strengen gebruikten om de nanodeeltjes bij elkaar te houden, de studie biedt ook inzicht in het mechanisme van interacties van nanodeeltjes en DNA-moleculen in de buurt van een lipidemembraan. Dit begrip zou het opkomende gebruik van nanodeeltjes als voertuigen voor het afleveren van genen door celmembranen kunnen informeren.

"Ons werk onthult hoe DNA-gecoate nanodeeltjes op elkaar inwerken en reorganiseren op een lipide-interface, en hoe dat proces de eigenschappen beïnvloedt van een "dunne film" gemaakt van DNA-gekoppelde nanodeeltjes, " zei natuurkundige Oleg Gang die de studie leidde bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN) van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie. De resultaten zullen op 11 juni worden gepubliceerd, 2014 gedrukte editie van de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Zoals het molecuul dat genetische informatie in levende wezens draagt, de synthetische DNA-strengen die in dit onderzoek als "lijm" worden gebruikt om nanodeeltjes te binden, hebben de natuurlijke neiging om te paren wanneer de basen waaruit de sporten van het gedraaide-laddervormige molecuul bestaan, op een bepaalde manier overeenkomen. Wetenschappers van Brookhaven hebben veel gebruik gemaakt van de specificiteit van deze aantrekkingskracht om nanodeeltjes gecoat te krijgen met enkele synthetische DNA-strengen om te paren en te assembleren in een verscheidenheid aan driedimensionale architecturen. Het doel van de huidige studie was om te zien of dezelfde benadering kan worden gebruikt om ontwerpen van tweedimensionale, films van één deeltje dik.

"Veel van de toepassingen die we voor ogen hebben voor nanodeeltjes, zoals optische coatings en fotovoltaïsche en magnetische opslagapparaten, vereisen vlakke geometrie, " zei Sunita Srivastava, een postdoctoraal onderzoeker van Stony Brook University en de hoofdauteur van het papier. Andere groepen wetenschappers hebben zulke vlakken van nanodeeltjes verzameld, ze in wezen drijvend op een vloeibaar oppervlak, maar deze enkellaagse arrays waren allemaal statisch, ze legde uit. "Het gebruik van DNA-linkermoleculen geeft ons een manier om de interacties tussen de nanodeeltjes te beheersen."

Zoals beschreven in de krant, de wetenschappers toonden hun vermogen om verschillend gestructureerde monolagen te bereiken, van een stroperige vloeistofachtige reeks tot een strakker geweven verknoopt elastisch gaas - en schakelen tussen die verschillende toestanden - door de sterkte van de koppeling tussen complementaire DNA-strengen te variëren en andere variabelen aan te passen, inclusief de elektrostatische lading op het vloeistofoppervlak en de zoutconcentratie.

Wanneer het oppervlak dat ze gebruikten, een lipide, heeft een sterke positieve lading en trekt de negatief geladen DNA-strengen aan die de nanodeeltjes omhullen. Die elektrostatische aantrekkingskracht en de afstoting tussen de negatief geladen DNA-moleculen die aangrenzende nanodeeltjes omringen, overheersen de aantrekkingskracht tussen complementaire DNA-basen. Als resultaat, de deeltjes vormen een nogal losjes gerangschikte vrij zwevende viskeuze monolaag. Het toevoegen van zout verandert de interacties en overwint de afstoting tussen gelijkgeladen DNA-strengen, waardoor de basenparen bij elkaar passen en de nanodeeltjes nauwer met elkaar verbinden, eerst string-achtige arrays vormen, en met meer zout, een stevigere maar toch elastische mesh-achtige laag.

"Het mechanisme van deze faseovergang is niet duidelijk, "zei Gang. "Het kan niet alleen worden begrepen uit de afstoting-aantrekkingsinteracties. Met behulp van theorie, we onthullen dat er collectieve effecten zijn van de flexibele DNA-ketens die het systeem in de specifieke toestanden aandrijven. En het is alleen mogelijk als de deeltjesgrootte en de DNA-ketengrootte vergelijkbaar zijn - in de orde van 20-50 nanometer, " hij zei.

Als onderdeel van de studie, de wetenschappers onderzochten de verschillende configuraties van de nanodeeltjes bovenop de vloeistoflaag met behulp van röntgenverstrooiing bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source (NSLS). Ze brachten ook de monolaag die bij elke zoutconcentratie werd geproduceerd over naar een vast oppervlak, zodat ze deze konden visualiseren met behulp van elektronenmicroscopie op de CFN.

"Het creëren van deze monolagen van deeltjes op een vloeibaar grensvlak is erg handig en effectief omdat de tweedimensionale structuur van de deeltjes erg 'vloeibaar' is en gemakkelijk kan worden gemanipuleerd - in tegenstelling tot een vast substraat, waar de deeltjes gemakkelijk aan het oppervlak kunnen blijven plakken, " Gang zei. "Maar in sommige toepassingen, het kan zijn dat we de geassembleerde laag moeten overbrengen naar zo'n stevig oppervlak. Door de synchrotronverstrooiing en elektronenmicroscopiebeeldvorming te combineren, konden we bevestigen dat de overdracht kan worden gedaan met minimale verstoring van de monolaag."

Het schakelbare karakter van de monolagen kan bijzonder aantrekkelijk zijn voor toepassingen zoals membranen die worden gebruikt voor zuivering en scheidingen, of om het transport van moleculaire of nanoschaalobjecten door vloeistofinterfaces te regelen. Bijvoorbeeld, zei Bende, wanneer deeltjes verbonden zijn maar vrij bewegen op het grensvlak, ze kunnen een object - een molecuul - door de interface laten gaan. "Echter, wanneer we verbindingen tussen deeltjes induceren om een ​​gaasachtig netwerk te vormen, elk object groter dan de maaswijdte van het netwerk kan niet door deze zeer dunne film dringen. "

"In principe, we kunnen zelfs nadenken over dergelijke on-demand gereguleerde netwerken om de maaswijdte dynamisch aan te passen. Omdat, van het grootteregime op nanoschaal, we kunnen ons voorstellen dat we dergelijke membranen gebruiken voor het filteren van eiwitten of andere nanodeeltjes, " hij zei.

Begrijpen hoe synthetische DNA-gecoate nanodeeltjes interageren met een lipide-oppervlak, kan ook inzicht bieden in hoe dergelijke deeltjes die zijn gecoat met echte genen, kunnen interageren met celmembranen - die grotendeels uit lipiden bestaan ​​- en met elkaar in een lipide-omgeving.

"Andere groepen hebben overwogen om met DNA gecoate nanodeeltjes te gebruiken om genen in cellen te detecteren, of zelfs voor het afleveren van genen aan cellen voor gentherapie en dergelijke benaderingen, " zei Gang. "Onze studie is de eerste in zijn soort die rechtstreeks naar de structurele aspecten van de DNA-deeltje/lipide-interface kijkt met behulp van röntgenverstrooiing. Ik geloof dat deze benadering van grote waarde is als platform voor meer gedetailleerd onderzoek van realistische systemen die belangrijk zijn voor deze nieuwe biomedische toepassingen van DNA-nanodeeltjesparen, ' zei Bende.