een kubus, een octaëder, een prisma - deze behoren tot de veelvlakkige structuren, of kaders, gemaakt van DNA dat wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben ontworpen om nanodeeltjes te verbinden met een verscheidenheid aan nauwkeurig gestructureerde driedimensionale (3D) roosters. De wetenschappers ontwikkelden ook een methode om nanodeeltjes en DNA-frames te integreren in onderling verbonden modules, het uitbreiden van de diversiteit van mogelijke structuren.

Deze prestaties, beschreven in artikelen gepubliceerd in Natuurmaterialen en Natuurchemie , zou het rationele ontwerp van nanomaterialen met verbeterde of gecombineerde optische, elektrisch, en magnetische eigenschappen om gewenste functies te bereiken.

"We streven ernaar om zelf-geassembleerde nanostructuren te maken van blauwdrukken, " zei natuurkundige Oleg Gang, die dit onderzoek leidde bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN), een DOE Office of Science User Facility in Brookhaven. "De structuur van onze nanodeeltjesassemblages wordt grotendeels bepaald door de vorm en bindingseigenschappen van nauwkeurig ontworpen DNA-frames, niet door de nanodeeltjes zelf. Door ons in staat te stellen verschillende roosters en architecturen te ontwerpen zonder de deeltjes te manipuleren, onze methode biedt grote mogelijkheden voor het ontwerpen van nanomaterialen met eigenschappen die kunnen worden verbeterd door functionele componenten nauwkeurig te organiseren. Bijvoorbeeld, we zouden gerichte lichtabsorberende materialen kunnen maken die zonne-energie benutten, of magnetische materialen die de opslagcapaciteit van informatie vergroten."

Ontworpen frames voor gewenste structuren

Het team van Gang heeft eerder gebruik gemaakt van de complementaire basenparing van DNA - de zeer specifieke binding van basen die bekend staat onder de letters A, T, G, en C die de sporten vormen van de DNA dubbele helix "ladder" - om deeltjes op een precieze manier samen te brengen. Deeltjes die zijn gecoat met enkelvoudige DNA-strengen, verbinden zich met deeltjes die zijn gecoat met complementaire strengen (A bindt aan T en G bindt aan C) terwijl ze deeltjes afstoten die zijn gecoat met niet-complementaire strengen.

Ze hebben ook 3D-DNA-frames ontworpen waarvan de hoeken enkelstrengs DNA-tethers hebben waaraan nanodeeltjes die zijn gecoat met complementaire strengen kunnen binden. Wanneer de wetenschappers deze nanodeeltjes en frames mengen, de componenten assembleren zichzelf tot roosters die voornamelijk worden bepaald door de vorm van het ontworpen frame. Het Nature Materials-document beschrijft de meest recente structuren die met deze strategie zijn bereikt.

“In onze aanpak we gebruiken DNA-frames om de directionele interacties tussen nanodeeltjes te bevorderen, zodat de deeltjes zich verbinden tot specifieke configuraties die de gewenste 3D-arrays bereiken, " zei Ye Tian, hoofdauteur op de Natuurmaterialen paper en een lid van het onderzoeksteam van Gang. "De geometrie van elk deeltje-linking frame is direct gerelateerd aan het type rooster, hoewel de exacte aard van deze relatie nog wordt onderzocht."

Tot dusver, het team heeft vijf veelvlakkige framevormen ontworpen:een kubus, een octaëder, een langwerpige vierkante bipyramide, een prisma, en een driehoekige bypyramid, maar er kunnen ook verschillende andere vormen worden gemaakt.

"Het idee is om verschillende 3D-structuren (gebouwen) te construeren uit hetzelfde nanodeeltje (baksteen), "zei Bende. "Meestal, de deeltjes moeten worden gemodificeerd om de gewenste structuren te produceren. Onze aanpak vermindert aanzienlijk de afhankelijkheid van de structuur van de aard van het deeltje, die goud kan zijn, zilver, ijzer, of enig ander anorganisch materiaal."

DNA-origami

Om de kozijnen te ontwerpen, het team gebruikte DNA-origami, een zelfassemblagetechniek waarbij korte synthetische strengen DNA (stapelstrengen) worden gemengd met een langere enkele streng biologisch afgeleid DNA (scaffoldstreng). Wanneer de wetenschappers dit mengsel verwarmen en afkoelen, de stapelstrengen binden selectief met of "nieten" de steigerstreng, waardoor de steigerstreng herhaaldelijk op zichzelf vouwt. Computersoftware helpt hen bij het bepalen van de specifieke sequenties voor het vouwen van het DNA in de gewenste vormen.

Het vouwen van de enkelstrengige DNA-steiger introduceert verankeringspunten die vrije "kleverige" uiteinden bevatten - ongepaarde strengen van DNA-basen - waar nanodeeltjes die zijn gecoat met complementaire enkelstrengs kettingen kunnen hechten. Deze plakkerige uiteinden kunnen overal op het DNA-frame worden geplaatst, maar het team van Gang koos de hoeken zodat meerdere frames konden worden verbonden.

Voor elke framevorm, het aantal DNA-strengen dat een framehoek verbindt met een individueel nanodeeltje is gelijk aan het aantal randen dat samenkomt in die hoek. De kubus- en prismaframes hebben drie strengen op elke hoek, bijvoorbeeld. Door deze hoektethers met verschillende aantallen bases te maken, de wetenschappers kunnen de flexibiliteit en lengte van de deeltjesframe-koppelingen afstemmen.

De afstanden tussen de deeltjes worden bepaald door de lengtes van de frameranden, die tientallen nanometers zijn in de frames die tot nu toe zijn ontworpen, maar de wetenschappers zeggen dat het mogelijk moet zijn om de frames op maat te maken om elke gewenste afmeting te bereiken.

De wetenschappers verifieerden de framestructuren en nanodeeltjesopstellingen door middel van cryo-elektronenmicroscopie (een type microscopie uitgevoerd bij zeer lage temperaturen) bij de CFN en Brookhaven's Biology Department, en röntgenverstrooiing bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een DOE Office of Science User Facility in Brookhaven.

Van stenen tot Lego

In de Natuurchemie papier, Het team van Gang beschreef hoe ze een vergelijkbare op DNA gebaseerde benadering gebruikten om programmeerbare tweedimensionale (2D), vierkantachtige DNA-frames rond enkele nanodeeltjes.

DNA-strengen in de frames zorgen voor koppeling met complementair DNA op de nanodeeltjes, in wezen het deeltje binnen het frame houden. Elke buitenzijde van het frame kan individueel worden gecodeerd met verschillende DNA-sequenties. Deze buitenste DNA-strengen leiden frame-frame herkenning en verbinding.

Gang vergelijkt deze nanodeeltjesmodules met DNA-frames met lego's waarvan de interacties zijn geprogrammeerd:"Elke module kan een ander soort nanodeeltje bevatten en op verschillende maar specifieke manieren met andere modules in elkaar grijpen, volledig bepaald door de complementaire paring van de DNA-basen aan de zijkanten van het frame."

Met andere woorden, de frames bepalen niet alleen of de nanodeeltjes zullen verbinden, maar ook hoe ze zullen verbinden. Door de framezijden te programmeren met specifieke DNA-sequenties, kunnen alleen frames met complementaire sequenties worden gekoppeld.

Het combineren van verschillende soorten modules kan een verscheidenheid aan structuren opleveren, vergelijkbaar met de constructies die kunnen worden gegenereerd uit Lego-stukken. Door een bibliotheek van de modules aan te maken, de wetenschappers hopen op afroep constructies te kunnen assembleren.

Voorspelbare assemblage van multifunctionele nanomaterialen

Door de selectiviteit van de verbindingen kunnen verschillende soorten en maten nanodeeltjes worden gecombineerd tot enkele structuren.

De geometrie van de verbindingen, of hoe de deeltjes in de ruimte zijn georiënteerd, is erg belangrijk voor het ontwerpen van structuren met gewenste functies. Bijvoorbeeld, optisch actieve nanodeeltjes kunnen in een bepaalde geometrie worden gerangschikt om te roteren, filter, absorberen, en licht uitstralen — capaciteiten die relevant zijn voor toepassingen op het gebied van energieoogst, zoals beeldschermen en zonnepanelen.

Door gebruik te maken van verschillende modules uit de "bibliotheek, " Gang's team demonstreerde de zelfassemblage van eendimensionale lineaire arrays, "zigzag" kettingen, vierkante en kruisvormige clusters, en 2D vierkante roosters. De wetenschappers hebben zelfs een simplistisch model op nanoschaal gemaakt van de Vitruviusman van Leonardo da Vinci.

"We wilden aantonen dat complexe nanodeeltjesarchitecturen zelf kunnen worden geassembleerd met behulp van onze aanpak, ' zei Bende.

Opnieuw, de wetenschappers gebruikten geavanceerde beeldvormingstechnieken - elektronen- en atoomkrachtmicroscopie bij de CFN en röntgenverstrooiing bij NSLS-II - om te verifiëren dat hun structuren consistent waren met de voorgeschreven ontwerpen en om het assemblageproces in detail te bestuderen.

"Hoewel er veel aanvullende studies nodig zijn, onze resultaten laten zien dat we vooruitgang boeken in de richting van ons doel om ontworpen materie te creëren via zelfassemblage, waaronder periodieke deeltjesarrays en complexe nanoarchitecturen met vrije vormen, " zei Gang. "Onze aanpak is opwindend omdat het een nieuw platform is voor productie op nanoschaal, een die kan leiden tot een verscheidenheid aan rationeel ontworpen functionele materialen."