(Phys.org) —Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno scoperto che i filamenti di "linker" del DNA convincono le aste di dimensioni nanometriche ad allinearsi in modo diverso da qualsiasi altra disposizione spontanea di oggetti a forma di bastoncino. La disposizione - con le aste che formano "pioli" su nastri simili a scale collegati da più filamenti di DNA - risulta dalle interazioni collettive dei legami flessibili del DNA e può essere unica su scala nanometrica. La ricerca, descritto in un articolo pubblicato online in ACS Nano , una rivista dell'American Chemical Society, potrebbe portare alla fabbricazione di nuovi materiali nanostrutturati con le proprietà desiderate.

"Questo è un meccanismo completamente nuovo di autoassemblaggio che non ha analoghi diretti nel regno dei sistemi molecolari o su microscala, " ha detto il fisico di Brookhaven Oleg Gang, autore principale della carta, che ha condotto la maggior parte della ricerca presso il Centro per i nanomateriali funzionali del laboratorio.

Ampie classi di oggetti simili a bastoncini, che vanno dalle molecole ai virus, spesso mostrano un tipico comportamento simile a un cristallo liquido, dove le aste si allineano con una dipendenza direzionale, a volte con i cristalli allineati che formano piani bidimensionali su una data area. Oggetti a forma di bastoncino con forte direzionalità e forze attrattive tra le loro estremità risultanti, Per esempio, dalla distribuzione di carica polarizzata, a volte può anche allinearsi da un capo all'altro formando catene unidimensionali lineari.

Nessuna disposizione tipica si trova nelle nanobarre legate al DNA.

"La nostra scoperta mostra che emerge un regime qualitativamente nuovo per oggetti su scala nanometrica decorati con legami molecolari flessibili di dimensioni comparabili, una disposizione lineare unidimensionale simile a una scala che appare in assenza di affinità end-to-end tra le aste, " ha detto Gang.

Alexei Tkachenko, lo scienziato CFN che ha sviluppato la teoria per spiegare la disposizione eccezionale, elaborato:"Sorprendentemente, il sistema ha tutte e tre le dimensioni in cui vivere, eppure sceglie di formare il lineare, nastri quasi unidimensionali. Può essere paragonato a come le dimensioni extra ipotizzate dai fisici delle alte energie diventano "nascoste, ' in modo che ci troviamo in un mondo 3-D."

Tkachenko spiega come l'allineamento a scala risulta da una rottura fondamentale della simmetria:

"Una volta che un nanorod si connette a un altro fianco a fianco, perde la simmetria cilindrica che aveva quando aveva legami liberi tutt'intorno. Quindi, il nanorod successivo si legherà preferenzialmente ad un altro lato del primo, dove ci sono ancora linker del DNA disponibili."

DNA come colla

L'utilizzo del DNA sintetico come una forma di colla molecolare per guidare l'assemblaggio delle nanoparticelle è stato un approccio centrale della ricerca di Gang al CFN. Il suo lavoro precedente ha mostrato che i filamenti di questa molecola, meglio conosciuta per trasportare il codice genetico degli esseri viventi, possono tirare insieme le nanoparticelle quando filamenti che portano sequenze complementari di basi nucleotidiche (conosciute con le lettere A, T, G, e C) sono usati come cavi, o inibire il legame quando vengono utilizzati fili non abbinati. Un attento controllo di queste forze attrattive e inibitorie può portare a un'ingegneria su scala nanometrica messa a punto.

Nello studio attuale, gli scienziati hanno utilizzato nanobarre d'oro e singoli filamenti di DNA per esplorare disposizioni realizzate con cavi complementari attaccati a barre adiacenti. Hanno anche esaminato gli effetti dell'uso di fili di collegamento di varie lunghezze per fungere da collante.

Dopo aver mescolato le varie combinazioni, hanno studiato le disposizioni risultanti usando la spettroscopia ultravioletta-visibile al CFN, e anche con la diffusione di raggi X a piccolo angolo alla National Synchrotron Light Source (NSLS) di Brookhaven. Hanno anche usato tecniche per "congelare" l'azione in vari punti durante l'assemblaggio e hanno osservato quelle fasi statiche utilizzando la microscopia elettronica a scansione per ottenere una migliore comprensione di come il processo è progredito nel tempo.

I vari metodi di analisi hanno confermato la disposizione fianco a fianco delle nanobarre disposte come pioli su un nastro simile a una scala durante le prime fasi di assemblaggio, seguito in seguito dall'impilamento dei nastri e infine dall'aggregazione tridimensionale su larga scala dovuta alla formazione di ponti di DNA tra i nastri.

Questo processo di assemblaggio graduale, chiamato gerarchico, ricorda l'autoassemblaggio in molti sistemi biologici (ad esempio, il legame degli amminoacidi in catene seguito dal successivo ripiegamento di queste catene per formare proteine ​​funzionali).

La natura graduale dell'assemblea suggeriva al team che il processo potesse essere interrotto nelle fasi intermedie. Usando filamenti di DNA "bloccanti" per legare i rimanenti legami liberi sulle strutture lineari a nastro, hanno dimostrato la loro capacità di prevenire le interazioni della fase successiva che formano strutture aggregate.

"L'arresto del processo di assemblaggio nella fase del nastro simile a una scala potrebbe essere potenzialmente applicato per la fabbricazione di strutture lineari con proprietà ingegnerizzate, "Ha detto Gang. "Ad esempio controllando le proprietà plasmoniche o fluorescenti - le risposte dei materiali alla luce - potremmo essere in grado di realizzare concentratori di luce su scala nanometrica o guide di luce, ed essere in grado di cambiarli su richiesta."