Возможность формировать неорганические наночастицы из материалов, таких как золото и серебро, в точно разработанные трехмерные формы — это значительный прорыв, который может продвинуть вперед лазерные технологии, микроскопию, солнечные элементы, электронику, экологические испытания, обнаружение болезней и многое другое.«Мы построили крошечные цеха из жесткой ДНК для изготовления металлических наночастиц в точных трехмерных формах, которые мы спроектировали и разработали в цифровом виде», — сказал Пэн Инь, старший автор статьи, член факультета Wyss Core и доцент кафедры системной биологии в Harvard Medical.
Школа.Выводы команды Wyss, описанные в статье под названием «Отливка неорганических структур с помощью форм ДНК», были опубликованы сегодня в журнале Science.
Работа была выполнена в сотрудничестве с Лабораторией вычислительной биологии и биофизики Массачусетского технологического института под руководством Марка Бата, старшего соавтора статьи.«Результаты исследования описывают значительный прогресс в области нанотехнологий ДНК, а также в синтезе неорганических наночастиц», — сказал Инь.
Впервые была достигнута общая стратегия производства неорганических наночастиц с заданной пользователем трехмерной формой для получения частиц размером всего 25 нанометров или меньше с удивительной точностью (менее 5 нанометров). Лист бумаги имеет толщину примерно 100 000 нанометров.Трехмерные неорганические наночастицы сначала задуманы и тщательно спланированы с использованием программного обеспечения для компьютерного дизайна. Используя программное обеспечение, исследователи создают трехмерные «каркасы» желаемого размера и формы, построенные из линейных последовательностей ДНК, которые притягиваются и связываются друг с другом предсказуемым образом.
«На протяжении многих лет ученые добивались больших успехов в создании сложных трехмерных форм из ДНК, используя различные стратегии», — сказал Вэй Сун, научный сотрудник Лаборатории молекулярных систем Висса и ведущий автор статьи. Например, в 2012 году команда Wyss показала, как компьютерное проектирование можно использовать для создания сотен различных самособирающихся одно-, двух- и трехмерных наноформ ДНК с идеальной точностью. Именно эта способность конструировать произвольные наноструктуры с помощью манипуляций с ДНК вдохновила команду Wyss на идею использования этих структур ДНК в качестве практических литейных или «форм» для неорганических веществ.«Задача заключалась в том, чтобы преобразовать этот вид трехмерного геометрического контроля в способность отливать конструкции из других разнообразных и функционально значимых материалов, таких как золото и серебро», — сказал Сан.
Подобно тому, как любому расширяющемуся материалу можно придать определенную трехмерную форму внутри формы, команда Wyss намеревалась выращивать неорганические частицы в замкнутых полых пространствах жестких наноструктур ДНК.Эту концепцию можно сравнить с японским методом выращивания арбузов в стеклянных кубиках.
Выращивая семена арбуза до созревания в стеклянных коробках кубической формы, японские фермеры создают зрелые дыни кубической формы, которые позволяют плотно упаковывать и хранить фрукты.Исследователи Wyss аналогичным образом посадили крохотное золотое «семя» в полую полость своей тщательно разработанной кубической формы ДНК, а затем стимулировали его рост. Используя активирующий химический раствор, золотое зерно выросло и расширилось, чтобы заполнить все существующее пространство в каркасе ДНК, в результате получилась кубовидная наночастица с теми же размерами, что и ее форма, с длиной, шириной и высотой частицы, которую можно контролировать независимо. .Затем исследователи изготовили различные трехмерные многоугольные формы, сферы и более амбициозные структуры, такие как трехмерная Y-образная наночастица и другая структура, содержащая кубовидную форму, зажатую между двумя сферами, доказав, что структурно разнородные наночастицы могут быть сформированы с использованием сложных конструкций форм ДНК. .Учитывая их немыслимо малые размеры, может показаться удивительным, что жесткие формы ДНК пропорционально довольно прочные и прочные, способные выдерживать давление расширяющихся неорганических материалов.
Хотя команда выбрала саженцы золота для отливки своих наночастиц, существует широкий спектр неорганических наночастиц, которым можно принудительно придать форму с помощью этого процесса наноразливки ДНК.Очень полезным свойством является то, что после отливки эти наночастицы могут сохранять каркас формы ДНК в качестве внешнего покрытия, обеспечивая дополнительную модификацию поверхности с впечатляющей наноразмерной точностью.
Эти покрытия также могут помочь ученым разработать высокочувствительные, мультиплексные методы обнаружения рака на ранних стадиях и генетических заболеваний, сочетая химическую специфичность ДНК со считыванием сигнала металла. Для частиц, которые будут лучше служить своей цели, будучи настолько электропроводящими, насколько это возможно, например, в очень маленьких нанокомпьютерах и электронных схемах, покрытие каркаса ДНК быстро и легко разрушается и удаляется с образованием чистых металлических проводов и соединителей.
«Свойства ДНК, которые позволяют ей самостоятельно собираться и кодировать строительные блоки жизни, были использованы, переработаны и переосмыслены для нано-производства неорганических материалов», — сказал Дон Ингбер, директор-основатель Wyss Institute. «Эта возможность должна открыть совершенно новые стратегии для различных областей, от миниатюризации компьютеров до обнаружения энергии и патогенов».