Een indrukwekkend scala aan architecturale vormen kan worden geproduceerd uit de populaire in elkaar grijpende bouwstenen die bekend staan ​​​​als LEGOS. Het enige dat nodig is, is de verbeeldingskracht van een kind om een ​​vrijwel oneindige verscheidenheid aan complexe vormen te construeren.

In een nieuwe studie die in het tijdschrift verschijnt Fysieke beoordelingsbrieven , onderzoekers beschrijven een techniek om LEGO-achtige elementen te gebruiken op de schaal van enkele miljardsten van een meter. Verder, ze kunnen deze ontwerpelementen overhalen om zelf te assembleren, waarbij elk LEGO-stuk zijn juiste partner identificeert en in een precieze volgorde met elkaar verbindt om de gewenste nanostructuur te voltooien.

Terwijl de techniek beschreven in de nieuwe studie wordt gesimuleerd op de computer, de strategie is van toepassing op zelfassemblagemethoden die gebruikelijk zijn op het gebied van DNA-nanotechnologie. Hier, het equivalent van elk LEGO-stukje bestaat uit nanostructuren gemaakt van DNA, de beroemde moleculaire opslagplaats van onze genetische code. De vier nucleotiden waaruit DNA bestaat - gewoonlijk aangeduid met A, C, T &G— blijf bij elkaar volgens een betrouwbare regel:A-nucleotiden paren altijd met Ts en C-nucleotiden met Gs.

Door eigenschappen van basenparen te gebruiken, kunnen onderzoekers als Petr Sulc, corresponderende auteur van de nieuwe studie, om DNA-nanostructuren te ontwerpen die vorm kunnen krijgen in een reageerbuis, als op de automatische piloot.

"Het mogelijke aantal manieren om interacties tussen de bouwstenen te ontwerpen is enorm, iets wat een 'combinatorische explosie' wordt genoemd', zegt Sulc. 'Het is onmogelijk om elk mogelijk bouwblokontwerp afzonderlijk te controleren en te zien of het zichzelf kan assembleren tot de gewenste structuur. In ons werk, we bieden een nieuw algemeen raamwerk dat efficiënt de ruimte van mogelijke oplossingen kan doorzoeken en degene kan vinden die zichzelf in de gewenste vorm assembleert en andere ongewenste assemblages vermijdt."

Sulc is onderzoeker bij het Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics en ASU's School of Molecular Sciences (SMS). Hij wordt vergezeld door zijn collega Lukáš Kroc, samen met internationale medewerkers Flavio Romano en John Russo uit Italië.

De nieuwe techniek markeert een belangrijke opstap in het zich snel ontwikkelende gebied van DNA-nanotechnologie, waar zelf-geassembleerde vormen hun weg vinden naar alles, van pincet op nanoschaal tot DNA-robots die op kanker jagen.

Ondanks indrukwekkende vorderingen, constructiemethoden die berusten op moleculaire zelfassemblage hebben te maken gehad met onbedoelde bindingen van bouwmateriaal. De uitdagingen groeien met de complexiteit van het beoogde ontwerp. Vaak, onderzoekers zijn verbijsterd over de vraag waarom bepaalde structuren zichzelf assembleren uit een bepaalde set elementaire bouwstenen, omdat de theoretische grondslagen van deze processen nog steeds slecht worden begrepen.

Om het probleem aan te pakken, Sulc en collega's hebben een slim kleurcoderingssysteem uitgevonden dat erin slaagt de basenparen te beperken tot alleen die voorkomen in de ontwerpblauwdruk voor de uiteindelijke structuur, met alternatieve basenparen verboden.

Het proces werkt via een op maat ontworpen optimalisatie-algoritme, waarbij de juiste kleurcode voor zelfassemblage van de beoogde vorm de doelstructuur produceert met een minimum aan energie, terwijl concurrerende structuren worden uitgesloten.

Volgende, ze zetten het systeem aan het werk, met behulp van computers twee kristalvormen ontwerpen die van groot belang zijn voor de fotonica:pyrochloor en kubische diamant. De auteurs merken op dat deze innovatieve methode van toepassing is op elke kristalstructuur.

Om hun theoretisch kader toe te passen, Sulc is een nieuwe samenwerking aangegaan met professoren Hao Yan en Nick Stephanopoulos, zijn collega's bij Biodesign en SMS. Samen, ze willen een aantal van de structuren die ze in simulaties hebben ontworpen experimenteel realiseren.

"Hoewel de voor de hand liggende toepassing van ons raamwerk in DNA-nanotechnologie ligt, onze aanpak is algemeen, en kan bijvoorbeeld ook worden gebruikt om zelf-geassembleerde structuren uit eiwitten te ontwerpen, ' zegt Sulc.