Onderzoekers van de Ludwig Maximilian Universiteit van München hebben een nieuwe strategie ontwikkeld voor het vervaardigen van structuren op nanoschaal op een tijd- en hulpbronnenefficiënte manier.

Macromoleculen zoals celstructuren of viruscapsiden kunnen uit kleine bouwstenen tevoorschijn komen zonder externe controle om complexe ruimtelijke structuren te vormen. Deze zelforganisatie is een centraal kenmerk van biologische systemen. Maar ook voor het bouwen van complexe nanodeeltjes in nanotechnologische toepassingen worden dergelijke zelfgeorganiseerde processen steeds belangrijker. In DNA-origami worden bijvoorbeeld grotere structuren gemaakt uit individuele basen.

Maar hoe kunnen deze reacties worden geoptimaliseerd? Dit is de vraag die LMU-natuurkundige prof. Erwin Frey en zijn team onderzoeken. De onderzoekers hebben nu een aanpak ontwikkeld op basis van het concept van tijdcomplexiteit, waarmee nieuwe strategieën kunnen worden gecreëerd voor het efficiënter synthetiseren van complexe structuren, zoals ze rapporteren in het tijdschrift PNAS .

Een concept uit de computerwetenschappen

Tijdcomplexiteit beschrijft oorspronkelijk problemen uit de informatica. Het houdt in dat wordt onderzocht hoe de hoeveelheid tijd die een algoritme nodig heeft, toeneemt als er meer gegevens moeten worden verwerkt. Wanneer bijvoorbeeld het gegevensvolume verdubbelt, kan de benodigde tijd verdubbelen, verviervoudigen of zelfs nog groter worden. In het ergste geval neemt de looptijd van het algoritme zo sterk toe dat een resultaat niet meer binnen een redelijke termijn kan worden uitgevoerd.

"We hebben dit concept toegepast op zelforganisatie", legt Frey uit. "Onze aanpak was:hoe verandert de tijd die nodig is om grote constructies te bouwen als het aantal afzonderlijke bouwstenen toeneemt?" Als we aannemen - analoog aan het geval bij informatica - dat de vereiste tijdsperiode met een zeer hoog vermogen toeneemt naarmate het aantal componenten toeneemt, zou dit de synthese van grote structuren praktisch onmogelijk maken. "Als zodanig willen mensen methoden ontwikkelen waarbij de tijd zo min mogelijk afhangt van het aantal componenten", legt Frey uit.

De LMU-onderzoekers hebben nu dergelijke tijdcomplexiteitsanalyses uitgevoerd met behulp van computersimulaties en wiskundige analyse en een nieuwe methode ontwikkeld voor het vervaardigen van complexe structuren. Hun theorie laat zien dat verschillende strategieën voor het bouwen van complexe moleculen totaal verschillende tijdscomplexiteiten hebben - en dus ook verschillende efficiënties. Sommige methoden zijn meer en andere minder geschikt voor het synthetiseren van complexe structuren in nanotechnologie. "Onze tijdcomplexiteitsanalyse leidt tot een eenvoudige maar informatieve beschrijving van zelfassemblageprocessen om precies te voorspellen hoe de parameters van een systeem moeten worden gecontroleerd om optimale efficiëntie te bereiken", legt Florian Gartner, een lid van Frey's groep en hoofdauteur van het papier.

Het team demonstreerde de uitvoerbaarheid van de nieuwe aanpak met behulp van een bekend voorbeeld uit het veld van nanotechnologie:de wetenschappers analyseerden hoe efficiënt een zeer symmetrische virale envelop kan worden vervaardigd. Computersimulaties toonden aan dat twee verschillende assemblageprotocollen in korte tijd tot hoge opbrengsten leidden.

Een nieuwe strategie voor zelforganisatie

Bij het uitvoeren van dergelijke experimenten tot nu toe, hebben wetenschappers vertrouwd op een experimenteel gecompliceerde methode waarbij de bindingssterkten tussen afzonderlijke bouwstenen worden gewijzigd. "By contrast, our model is based exclusively on controlling the availability of the individual building blocks, thus offering a simpler and more effective option for regulating artificial self-organization processes," explains Gartner. With regard to its time efficiency, the new technique is comparable, and in some cases better, than established methods. "Most of all, this schema promises to be more versatile and practical than conventional assembly strategies," says the physicist.

"Our work presents a new conceptual approach to self-organization, which we are convinced will be of great interest for physics, chemistry, and biology," says Frey. "In addition, it puts forward concrete practical suggestions for new experimental protocols in nanotechnology and synthetic and molecular biology." + Verder verkennen

Logistics of self-assembly processes