Gli scienziati alla ricerca di modi per progettare l'assemblaggio di minuscole particelle che misurano solo miliardesimi di metro hanno raggiunto un nuovo primato:la formazione di un singolo strato di nanoparticelle su una superficie liquida in cui le proprietà dello strato possono essere facilmente modificate. La comprensione dell'assemblaggio di tali film sottili nanostrutturati potrebbe portare alla progettazione di nuovi tipi di filtri o membrane con una risposta meccanica variabile per un'ampia gamma di applicazioni. Inoltre, perché gli scienziati hanno usato minuscoli filamenti sintetici di DNA per tenere insieme le nanoparticelle, lo studio offre anche informazioni sul meccanismo delle interazioni di nanoparticelle e molecole di DNA vicino a una membrana lipidica. Questa comprensione potrebbe informare l'uso emergente delle nanoparticelle come veicoli per il trasporto di geni attraverso le membrane cellulari.

"Il nostro lavoro rivela come le nanoparticelle rivestite di DNA interagiscono e si riorganizzano a un'interfaccia lipidica, e come quel processo influenzi le proprietà di un "film sottile" fatto di nanoparticelle legate al DNA, ", ha affermato il fisico Oleg Gang che ha guidato lo studio presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. I risultati saranno pubblicati l'11 giugno. edizione cartacea 2014 del Giornale della Società Chimica Americana .

Come la molecola che trasporta l'informazione genetica negli esseri viventi, i filamenti di DNA sintetici usati come "colla" per legare le nanoparticelle in questo studio hanno una naturale tendenza ad accoppiarsi quando le basi che compongono i pioli della molecola a forma di scala ritorta si accoppiano in un modo particolare. Gli scienziati di Brookhaven hanno fatto un grande uso della specificità di questa forza attrattiva per ottenere nanoparticelle rivestite con singoli filamenti di DNA sintetico da accoppiare e assemblare in una varietà di architetture tridimensionali. L'obiettivo del presente studio era vedere se lo stesso approccio potesse essere utilizzato per realizzare progetti di bidimensionali, film di una particella di spessore.

"Molte delle applicazioni che immaginiamo per le nanoparticelle, come rivestimenti ottici e dispositivi di memorizzazione fotovoltaici e magnetici, richiedono geometria planare, " disse Sunita Srivastava, un ricercatore post-dottorato della Stony Brook University e l'autore principale del documento. Altri gruppi di scienziati hanno assemblato tali piani di nanoparticelle, essenzialmente facendoli galleggiare su una superficie liquida, ma questi array a strato singolo sono stati tutti statici, lei spiegò. "L'utilizzo di molecole di collegamento del DNA ci offre un modo per controllare le interazioni tra le nanoparticelle".

Come descritto nel documento, gli scienziati hanno dimostrato la loro capacità di ottenere monostrati diversamente strutturati, da una matrice viscosa simile a un fluido a una rete elastica reticolata più fitta e passare tra questi diversi stati, variando la forza dell'accoppiamento tra filamenti di DNA complementari e regolando altre variabili, compresa la carica elettrostatica sulla superficie di assemblaggio del liquido e la concentrazione di sale.

Quando la superficie che usavano, un lipide, ha una forte carica positiva attrae i filamenti di DNA caricati negativamente che ricoprono le nanoparticelle. Quell'attrazione elettrostatica e la repulsione tra le molecole di DNA caricate negativamente che circondano le nanoparticelle adiacenti sopraffanno la forza di attrazione tra le basi di DNA complementari. Di conseguenza, le particelle formano un monostrato viscoso fluttuante piuttosto liberamente schierato. L'aggiunta di sale modifica le interazioni e supera la repulsione tra i filamenti di DNA con carica simile, consentendo alle coppie di basi di corrispondere e collegare più strettamente le nanoparticelle, prima formando array simili a stringhe, e con più sale, uno strato simile a una rete più solido ma elastico.

"Il meccanismo di questa transizione di fase non è ovvio, " ha detto Gang. "Non può essere compreso dalle sole interazioni repulsione-attrazione. Con l'aiuto della teoria, riveliamo che ci sono effetti collettivi delle catene flessibili del DNA che guidano il sistema negli stati particolari. Ed è possibile solo quando le dimensioni delle particelle e le dimensioni della catena del DNA sono comparabili, nell'ordine di 20-50 nanometri, " Egli ha detto.

Nell'ambito dello studio, gli scienziati hanno esaminato le diverse configurazioni delle nanoparticelle sopra lo strato liquido utilizzando la diffusione dei raggi X presso la National Synchrotron Light Source (NSLS) di Brookhaven. Hanno anche trasferito il monostrato prodotto ad ogni concentrazione di sale su una superficie solida in modo da poterlo visualizzare utilizzando la microscopia elettronica al CFN.

"La creazione di questi monostrati di particelle su un'interfaccia liquida è molto comoda ed efficace perché la struttura bidimensionale delle particelle è molto "fluida" e può essere facilmente manipolata, a differenza di un substrato solido, dove le particelle possono facilmente attaccarsi alla superficie, " ha detto Gang. "Ma in alcune applicazioni, potremmo aver bisogno di trasferire lo strato assemblato su una superficie così solida. Combinando la diffusione del sincrotrone e l'imaging al microscopio elettronico, potremmo confermare che il trasferimento può essere effettuato con un'interruzione minima del monostrato".

La natura commutabile dei monostrati potrebbe essere particolarmente interessante per applicazioni quali membrane utilizzate per la purificazione e la separazione, o per controllare il trasporto di oggetti molecolari o su nanoscala attraverso interfacce liquide. Per esempio, ha detto Gang, quando le particelle sono collegate ma si muovono liberamente all'interfaccia, possono consentire a un oggetto, una molecola, di passare attraverso l'interfaccia. "Però, quando induciamo i collegamenti tra le particelle per formare una rete a maglie, qualsiasi oggetto più grande della dimensione della maglia della rete non può penetrare attraverso questo film molto sottile. "

"In linea di principio, possiamo persino pensare a tali reti regolate su richiesta per regolare dinamicamente la dimensione della maglia. Perché, del regime delle dimensioni su scala nanometrica, potremmo immaginare di utilizzare tali membrane per filtrare proteine ​​o altre nanoparticelle, " Egli ha detto.

Comprendere come le nanoparticelle sintetiche rivestite di DNA interagiscono con una superficie lipidica può anche offrire informazioni su come tali particelle ricoperte di geni reali potrebbero interagire con le membrane cellulari, che sono in gran parte composte da lipidi, e tra loro in un ambiente lipidico.

"Altri gruppi hanno preso in considerazione l'utilizzo di nanoparticelle rivestite di DNA per rilevare i geni all'interno delle cellule, o anche per fornire geni alle cellule per la terapia genica e tali approcci, " ha detto Gang. "Il nostro studio è il primo del suo genere a esaminare gli aspetti strutturali dell'interfaccia DNA-particella/lipidi utilizzando direttamente la diffusione dei raggi X. Credo che questo approccio abbia un valore significativo come piattaforma per indagini più dettagliate su sistemi realistici importanti per queste nuove applicazioni biomediche degli accoppiamenti DNA-nanoparticelle, " ha detto Gang.