Met behulp van gevouwen DNA om gloeiende moleculen nauwkeurig in microscopisch kleine lichtresonatoren te plaatsen, onderzoekers van Caltech hebben een van 's werelds kleinste reproducties gemaakt van Vincent van Gogh's De sterrennacht. De reproductie en de techniek die wordt gebruikt om het te maken, worden beschreven in een artikel dat is gepubliceerd in de geavanceerde online-editie van het tijdschrift Natuur op 11 juli

Het monochrome beeld - slechts de breedte van een dubbeltje over - was een proof-of-concept-project dat aantoonde, Voor de eerste keer, hoe de precisieplaatsing van DNA-origami kan worden gebruikt om chipgebaseerde apparaten zoals computercircuits te bouwen op kleinere schaal dan ooit tevoren.

DNA-origami, 10 jaar geleden ontwikkeld door Paul Rothemund van Caltech (BS '94), is een techniek waarmee onderzoekers een lange DNA-streng in elke gewenste vorm kunnen vouwen. Het gevouwen DNA fungeert dan als een scaffold waarop onderzoekers allerlei componenten op nanometerschaal kunnen bevestigen en ordenen, van fluorescerende moleculen tot elektrisch geleidende koolstofnanobuizen tot medicijnen.

"Zie het een beetje als de ophangborden die mensen gebruiken om gereedschap in hun garages te organiseren, alleen in dit geval het pegboard assembleert zichzelf uit DNA-strengen en de gereedschappen vinden eveneens hun eigen posities, " zegt Rothemund, onderzoekshoogleraar bio-engineering, informatica en wiskundige wetenschappen, en berekening en neurale systemen. "Het gebeurt allemaal in een reageerbuis zonder menselijke tussenkomst, wat belangrijk is omdat alle onderdelen te klein zijn om efficiënt te manipuleren, en we willen miljarden apparaten maken."

Het proces heeft het potentieel om een ​​verscheidenheid aan toepassingen te beïnvloeden, van medicijnafgifte tot de constructie van computers op nanoschaal. Maar voor veel toepassingen het organiseren van componenten op nanoschaal om apparaten op DNA-pegboards te maken is niet genoeg; de apparaten moeten met elkaar worden verbonden in grotere circuits en moeten een manier hebben om te communiceren met grotere apparaten.

Een vroege benadering was om eerst elektroden te maken, en dan apparaten willekeurig op een oppervlak verspreiden, met de verwachting dat er op zijn minst een paar zouden landen waar gewenst, een methode die Rothemund beschrijft als 'spuiten en bidden'.

In 2009, Rothemund en collega's van IBM Research beschreven eerst een techniek waarmee DNA-origami op precieze locaties op oppervlakken kan worden gepositioneerd met behulp van elektronenstraallithografie om kleverige bindingsplaatsen te etsen die dezelfde vorm hebben als de origami. Bijvoorbeeld, driehoekige plakkerige plekken binden driehoekig gevouwen DNA.

In de afgelopen zeven jaar, Rothemund en Ashwin Gopinath, senior postdoctoraal onderzoeker in bio-engineering bij Caltech, hebben deze techniek verfijnd en uitgebreid, zodat DNA-vormen nauwkeurig kunnen worden gepositioneerd op bijna elk oppervlak dat wordt gebruikt bij de vervaardiging van computerchips. In de Natuur papier, ze melden de eerste toepassing van de techniek - met behulp van DNA-origami om fluorescerende moleculen in microscopisch kleine lichtbronnen te installeren.

"Het is alsof je DNA-origami gebruikt om moleculaire gloeilampen in microscopisch kleine lampen te schroeven. ' zegt Rothemund.

In dit geval, de lampen zijn microgefabriceerde structuren die fotonische kristalholten (PCC's) worden genoemd, die zijn afgestemd om te resoneren op een bepaalde golflengte van licht, net zoals een stemvork trilt met een bepaalde toonhoogte. Gemaakt binnen een dun glasachtig membraan, een PCC neemt de vorm aan van een bacterievormig defect in een verder perfecte honingraat van gaten.

"Afhankelijk van de exacte grootte en afstand van de gaten, een bepaalde golflengte van licht weerkaatst op de rand van de holte en wordt erin opgesloten, " zegt Gopinath, de hoofdauteur van de studie. Hij bouwde PCC's die zijn afgestemd om te resoneren op ongeveer 660 nanometer, de golflengte die overeenkomt met een diepe tint van de kleur rood. Fluorescerende moleculen die zijn afgestemd om met een vergelijkbare golflengte te gloeien, verlichten de lampen - op voorwaarde dat ze precies op de juiste plaats in het PCC blijven plakken.

"Een fluorescerend molecuul dat is afgestemd op dezelfde kleur als een PCC, gloeit in feite helderder in de holte, maar de sterkte van dit koppelingseffect hangt sterk af van de positie van het molecuul in de holte. Enkele tientallen nanometers is het verschil tussen het molecuul dat helder oplicht, of helemaal niet, ' zegt Gopinath.

Door DNA-origami door de PCC's te bewegen in stappen van 20 nanometer, de onderzoekers ontdekten dat ze een dambordpatroon van warme en koude plekken in kaart konden brengen, waar de moleculaire gloeilampen zwak of sterk gloeiden. Als resultaat, ze konden DNA-origami gebruiken om fluorescerende moleculen te positioneren om lampen van verschillende intensiteit te maken. Soortgelijke structuren zijn voorgesteld om kwantumcomputers van stroom te voorzien en voor gebruik in andere optische toepassingen waarvoor veel kleine lichtbronnen nodig zijn die samen op een enkele chip zijn geïntegreerd.

"Alle eerdere werklampen die lichtzenders aan PCC's koppelden, creëerden slechts een handvol werklampen, vanwege de buitengewone moeilijkheid om het aantal en de positie van emitters in een holte reproduceerbaar te controleren, " zegt Gopinath. Om hun nieuwe technologie te bewijzen, de onderzoekers besloten op te schalen en een visueel aantrekkelijke demonstratie te geven. Door PCC's te maken met verschillende aantallen bindingsplaatsen, Gopinath was in staat om op betrouwbare wijze elk nummer van nul tot zeven DNA-origami te installeren, waardoor hij de helderheid van elke lamp digitaal kan regelen. Hij behandelde elke lamp als een pixel met een van de acht verschillende intensiteiten, en produceerde een reeks van 65, 536 van de PCC-pixels (een raster van 256 x 256 pixels) om een ​​reproductie te maken van Van Goghs "The Starry Night".

Nu het team moleculen op betrouwbare wijze kan combineren met PCC's, ze werken aan het verbeteren van de lichtzenders. Momenteel, de fluorescerende moleculen duren ongeveer 45 seconden voordat ze reageren met zuurstof en "opbranden, " en ze stoten een paar tinten rood uit in plaats van een enkele pure kleur. Het oplossen van beide problemen zal helpen bij toepassingen zoals kwantumcomputers.

"Behalve toepassingen, er is veel fundamentele wetenschap te doen, ' zegt Gopinath.