Onderzoekers van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University hebben een nieuwe methode onthuld om minuscule 3D metalen nanodeeltjes te vormen in voorgeschreven vormen en afmetingen met behulp van DNA, De bouwsteen van de natuur, als bouwmal.

Het vermogen om anorganische nanodeeltjes uit materialen zoals goud en zilver te vormen in nauwkeurig ontworpen 3D-vormen is een belangrijke doorbraak die de potentie heeft om lasertechnologie vooruit te helpen, microscopie, zonnepanelen, elektronica, milieu testen, ziektedetectie en meer.

"We hebben kleine gieterijen gebouwd van stijf DNA om metalen nanodeeltjes te fabriceren in exacte driedimensionale vormen die we digitaal hebben gepland en ontworpen, " zei Peng Yin, senior auteur van het artikel, Wyss kernfaculteitslid en universitair docent systeembiologie aan de Harvard Medical School.

De bevindingen van het Wyss-team, beschreven in een paper getiteld "Casting Anorganic Structures with DNA Molds, " werden vandaag gepubliceerd in Wetenschap . Het werk werd gedaan in samenwerking met MIT's Laboratory for Computational Biology and Biophysics, onder leiding van Mark Bathe, senior co-auteur van het artikel.

"De bevindingen van het artikel beschrijven een significante vooruitgang in DNA-nanotechnologie en in de synthese van anorganische nanodeeltjes, " zei Yin. Voor de allereerste keer, een algemene strategie om anorganische nanodeeltjes te vervaardigen met door de gebruiker gespecificeerde 3D-vormen is bereikt om deeltjes zo klein als 25 nanometer of minder te produceren, met opmerkelijke precisie (minder dan 5 nanometer). Een vel papier is ongeveer 100, 000 nanometer dik.

De 3D anorganische nanodeeltjes worden eerst bedacht en zorgvuldig gepland met behulp van computerontwerpsoftware. Met behulp van de software, de onderzoekers ontwerpen driedimensionale "frameworks" van de gewenste grootte en vorm, opgebouwd uit lineaire DNA-sequenties, die elkaar op een voorspelbare manier aantrekken en aan elkaar binden.

"Door de jaren heen wetenschappers zijn zeer succesvol geweest in het maken van complexe 3D-vormen van DNA met behulp van verschillende strategieën, " zei Wei Sun, een postdoctoraal onderzoeker in het Wyss' Molecular Systems Lab en de hoofdauteur van het artikel. Bijvoorbeeld, in 2012, het Wyss-team onthulde hoe computerondersteund ontwerp kan worden gebruikt om honderden verschillende zelfassemblerende een-, twee-, en driedimensionale DNA-nanovormen met perfecte nauwkeurigheid. Het is dit vermogen om willekeurige nanostructuren te ontwerpen met behulp van DNA-manipulatie die het Wyss-team inspireerde om deze DNA-structuren te gebruiken als praktische gieterijen, of "vormen", voor anorganische stoffen.

"De uitdaging was om dit soort 3D-geometrische controle te vertalen naar het vermogen om structuren in andere diverse en functioneel relevante materialen te gieten, zoals goud en zilver, ' zei Zon.

Net zoals elk expanderend materiaal in een mal kan worden gevormd om een ​​gedefinieerde 3D-vorm aan te nemen, het Wyss-team ging anorganische deeltjes kweken in de besloten holle ruimtes van stijve DNA-nanostructuren

Het concept is te vergelijken met de Japanse methode om watermeloenen in glazen blokjes te kweken. Door watermeloenzaden tot rijpheid te brengen in kubusvormige glazen dozen, Japanse boeren maken kubusvormige rijpe meloenen die een dicht opeengepakte verzending en opslag van het fruit mogelijk maken.

De Wyss-onderzoekers plantten op dezelfde manier een minuscuul gouden "zaadje" in de holle holte van hun zorgvuldig ontworpen kubusvormige DNA-mal en stimuleerden het vervolgens om te groeien. Met behulp van een activerende chemische oplossing, het goudzaad groeide en breidde zich uit om alle bestaande ruimte binnen het DNA-raamwerk te vullen, wat resulteert in een kubusvormig nanodeeltje met dezelfde afmetingen als zijn mal., met de lengte, breedte en hoogte van het deeltje kunnen onafhankelijk worden geregeld.

Volgende, onderzoekers fabriceerden gevarieerde 3D-veelhoekige vormen, bollen, en ambitieuzere structuren, zoals een 3D Y-vormig nanodeeltje en een andere structuur bestaande uit een kubusvorm tussen twee bollen, wat bewijst dat structureel diverse nanodeeltjes kunnen worden gevormd met behulp van complexe DNA-malontwerpen.

Gezien hun ondenkbaar kleine formaat, het kan als een verrassing komen dat stijve DNA-mallen in verhouding vrij robuust en sterk zijn, bestand tegen de druk van uitzettende anorganische materialen. Hoewel het team gouden zaailingen selecteerde om hun nanodeeltjes te gieten, er is een breed scala aan anorganische nanodeeltjes die met geweld kunnen worden gevormd door dit proces van DNA-nanocasting.

Een zeer nuttige eigenschap is dat eenmaal gegoten, deze nanodeeltjes kunnen het raamwerk van de DNA-mal behouden als een buitenste coating, waardoor extra oppervlaktemodificatie met indrukwekkende precisie op nanoschaal mogelijk is. Deze coatings kunnen wetenschappers ook helpen bij het ontwikkelen van zeer gevoelige, multiplexmethoden voor het opsporen van kankers in een vroeg stadium en genetische ziekten door de chemische specificiteit van het DNA te combineren met de signaaluitlezing van het metaal. Voor deeltjes die hun doel beter zouden dienen door zo elektrisch geleidend mogelijk te zijn, zoals in zeer kleine nanocomputers en elektronische circuits, de DNA-framecoating wordt snel en gemakkelijk afgebroken en verwijderd om pure metalen draden en connectoren te produceren.

"De eigenschappen van DNA die het mogelijk maken om zichzelf te assembleren en de bouwstenen van het leven te coderen, zijn benut, herbestemd en opnieuw ontworpen voor de nanoproductie van anorganische materialen, " zei Don Ingber, Wyss Institute oprichter en directeur. "Deze mogelijkheid zou geheel nieuwe strategieën moeten openen voor gebieden variërend van computerminiaturisatie tot energie- en pathogene detectie."