I ricercatori del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell'Università di Harvard hanno svelato un nuovo metodo per formare minuscole nanoparticelle metalliche 3D in forme e dimensioni prescritte utilizzando il DNA, Il mattone della natura, come stampo da costruzione.

La capacità di modellare nanoparticelle inorganiche da materiali come oro e argento in forme 3D progettate con precisione è una svolta significativa che ha il potenziale per far progredire la tecnologia laser, microscopia, celle solari, elettronica, test ambientali, rilevamento di malattie e altro ancora.

"Abbiamo costruito minuscole fonderie fatte di DNA rigido per fabbricare nanoparticelle metalliche in esatte forme tridimensionali che abbiamo pianificato e progettato digitalmente, " disse Peng Yin, autore senior del documento, Membro principale della facoltà di Wyss e assistente professore di biologia dei sistemi presso la Harvard Medical School.

I risultati del team Wyss, descritto in un articolo intitolato "Fondere strutture inorganiche con stampi di DNA, " sono stati pubblicati oggi in Scienza . Il lavoro è stato svolto in collaborazione con il Laboratory for Computational Biology and Biophysics del MIT, guidato da Mark Bathe, co-autore senior del documento.

"I risultati del documento descrivono un progresso significativo nella nanotecnologia del DNA e nella sintesi delle nanoparticelle inorganiche, " disse Yin. Per la prima volta, è stata raggiunta una strategia generale per produrre nanoparticelle inorganiche con forme 3D specificate dall'utente per produrre particelle di dimensioni fino a 25 nanometri o meno, con notevole precisione (meno di 5 nanometri). Un foglio di carta è di circa 100, 000 nanometri di spessore.

Le nanoparticelle inorganiche 3D vengono prima concepite e pianificate meticolosamente utilizzando un software di progettazione computerizzata. Utilizzando il software, i ricercatori progettano "strutture" tridimensionali della dimensione e della forma desiderate costruite da sequenze di DNA lineari, che si attraggono e si legano in maniera prevedibile.

"Negli anni, gli scienziati hanno avuto molto successo nel creare forme 3D complesse dal DNA utilizzando diverse strategie, " ha detto Wei Sun, uno studioso post-dottorato nel Molecular Systems Lab di Wyss e l'autore principale dell'articolo. Per esempio, nel 2012, il team di Wyss ha rivelato come la progettazione assistita da computer potrebbe essere utilizzata per costruire centinaia di diversi modelli autoassemblanti, Due-, e nanoforme di DNA tridimensionali con una precisione perfetta. È questa capacità di progettare nanostrutture arbitrarie utilizzando la manipolazione del DNA che ha ispirato il team di Wyss a immaginare l'utilizzo di queste strutture di DNA come fonderie pratiche, o "stampi", per sostanze inorganiche.

"La sfida era tradurre questo tipo di controllo geometrico 3D nella capacità di fondere strutture in altri materiali diversi e funzionalmente rilevanti, come oro e argento, " ha detto Sole.

Proprio come qualsiasi materiale in espansione può essere modellato all'interno di uno stampo per assumere una forma 3D definita, il team di Wyss ha deciso di far crescere particelle inorganiche all'interno degli spazi cavi ristretti di rigide nanostrutture di DNA

Il concetto può essere paragonato al metodo giapponese di coltivare angurie in cubetti di vetro. Coltivando i semi di anguria fino alla maturità all'interno di scatole di vetro a forma di cubo, Gli agricoltori giapponesi creano meloni maturi a forma di cubo che consentono la spedizione e lo stoccaggio del frutto densamente imballati.

Allo stesso modo, i ricercatori del Wyss hanno piantato un minuscolo "seme" d'oro all'interno della cavità cava del loro stampo di DNA a forma di cubo accuratamente progettato e poi lo hanno stimolato a crescere. Utilizzando una soluzione chimica attivante, il seme d'oro crebbe e si espanse per riempire tutto lo spazio esistente all'interno della struttura del DNA, risultante in una nanoparticella cuboide con le stesse dimensioni del suo stampo., con la lunghezza, larghezza e altezza della particella controllabili indipendentemente.

Prossimo, i ricercatori hanno fabbricato varie forme poligonali 3D, sfere, e strutture più ambiziose, come una nanoparticella 3D a forma di Y e un'altra struttura comprendente una forma cuboide inserita tra due sfere, dimostrando che le nanoparticelle strutturalmente diverse potrebbero essere modellate utilizzando complessi modelli di stampi di DNA.

Date le loro dimensioni impensabilmente ridotte, può sorprendere che gli stampi di DNA rigidi siano proporzionalmente abbastanza robusti e forti, in grado di resistere alle pressioni dei materiali inorganici in espansione. Sebbene il team abbia selezionato piantine d'oro per lanciare le loro nanoparticelle, esiste una vasta gamma di nanoparticelle inorganiche che possono essere modellate con la forza attraverso questo processo di nanocasting del DNA.

Una proprietà molto utile è che una volta lanciata, queste nanoparticelle possono mantenere la struttura dello stampo del DNA come rivestimento esterno, consentendo un'ulteriore modifica della superficie con un'impressionante precisione su scala nanometrica. Questi rivestimenti possono anche aiutare gli scienziati a sviluppare prodotti altamente sensibili, metodi multiplex per rilevare tumori in fase iniziale e malattie genetiche combinando la specificità chimica del DNA con la lettura del segnale del metallo. Per le particelle che servirebbero meglio al loro scopo essendo quanto più elettricamente conduttive possibile, come in piccolissimi nanocomputer e circuiti elettronici, il rivestimento della struttura del DNA viene rapidamente e facilmente scomposto e rimosso per produrre fili e connettori di metallo puro.

"Le proprietà del DNA che gli consentono di autoassemblarsi e codificare i mattoni della vita sono state sfruttate, riproposto e reimmaginato per la nanoproduzione di materiali inorganici, " disse Don Ingber, Direttore fondatore del Wyss Institute. "Questa capacità dovrebbe aprire strategie completamente nuove per campi che vanno dalla miniaturizzazione del computer al rilevamento di energia e agenti patogeni".