Gli scienziati hanno costruito ottaedri usando strutture simili a corde fatte di fasci di molecole di DNA a doppia elica per formare i telai (a). Singoli filamenti di DNA attaccati ai vertici (numerati in rosso) possono essere usati per attaccare nanoparticelle ricoperte di filamenti complementari. Questo approccio può produrre una varietà di strutture, compresi quelli con lo stesso tipo di particella in ogni vertice (b), disposizioni con particelle poste solo su determinati vertici (c), e strutture con differenti particelle poste strategicamente su differenti vertici (d). Credito:Brookhaven National Laboratory
In una nuova svolta sull'uso del DNA nella costruzione su scala nanometrica, scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e collaboratori hanno utilizzato i filamenti sintetici del materiale biologico in due modi:hanno usato configurazioni simili a funi della doppia elica del DNA per formare una struttura geometrica rigida, e ha aggiunto pezzi penzolanti di DNA a singolo filamento per incollare le nanoparticelle in posizione.
Il metodo, descritto nel giornale Nanotecnologia della natura , ha prodotto cluster e array prevedibili di nanoparticelle, un passo importante verso la progettazione di materiali con strutture e funzioni su misura per applicazioni nel campo dell'energia, ottica, e medicina.
"Queste matrici di nanoparticelle con configurazioni geometriche prevedibili sono in qualche modo analoghe alle molecole fatte di atomi, " ha detto il fisico di Brookhaven Oleg Gang, che ha guidato il progetto presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) del Lab, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. "Mentre gli atomi formano molecole in base alla natura dei loro legami chimici, non c'è stato un modo semplice per imporre uno schema di legame spaziale così specifico alle nanoparticelle. Questo è esattamente il problema che il nostro metodo affronta."
Utilizzando il nuovo metodo, gli scienziati affermano che possono potenzialmente orchestrare le disposizioni di diversi tipi di nanoparticelle per sfruttare gli effetti collettivi o sinergici. Gli esempi potrebbero includere materiali che regolano il flusso di energia, ruotare la luce, o fornire biomolecole.
"Potremmo essere in grado di progettare materiali che imitano i macchinari della natura per raccogliere l'energia solare, o manipolare la luce per applicazioni di telecomunicazione, o progettare nuovi catalizzatori per accelerare una varietà di reazioni chimiche, " ha detto Gang.
Gli scienziati hanno dimostrato la tecnica per progettare architetture di nanoparticelle utilizzando un'impalcatura ottaedrica con particelle posizionate in posizioni precise sull'impalcatura in base alla specificità della codifica del DNA. I progetti includevano due diverse disposizioni dello stesso insieme di particelle, dove ogni configurazione aveva caratteristiche ottiche diverse. Hanno anche usato i cluster geometrici come elementi costitutivi per array più grandi, comprese catene lineari e fogli planari bidimensionali.
"Il nostro lavoro dimostra la versatilità di questo approccio e apre numerose interessanti opportunità per l'assemblaggio di precisione ad alto rendimento di blocchi di costruzione 3D su misura in cui possono essere integrate più nanoparticelle di diverse strutture e funzioni, " ha detto lo scienziato CFN Ye Tian, uno degli autori principali dell'articolo.
Dettagli di montaggio
Un'immagine combinata crio-microscopia elettronica di una cornice ottaedrica con una nanoparticella d'oro legata a ciascuno dei sei vertici, mostrato da tre diverse angolazioni. Credito:Brookhaven National Laboratory
Questo approccio costruttivo su nanoscala sfrutta due caratteristiche chiave della molecola di DNA:la forma a doppia elica a scala ritorta, e la naturale tendenza dei filamenti con basi complementari (la A, T, G, e C del codice genetico) da accoppiare in modo preciso.
Primo, gli scienziati hanno creato fasci di sei molecole a doppia elica, poi metti insieme quattro di questi fasci per fare una stalla, materiale da costruzione alquanto rigido, simile al modo in cui i singoli fili fibrosi sono intrecciati insieme per formare una corda molto resistente. Gli scienziati hanno quindi utilizzato queste travi simili a funi per formare la struttura di ottaedri tridimensionali, "aggrappando" le catene lineari di DNA insieme a centinaia di brevi filamenti di DNA complementari.
"Ci riferiamo a questi come ottaedri di origami di DNA, " ha detto Gang.
Per rendere possibile "incollare" le nanoparticelle ai telai 3D, gli scienziati hanno progettato ciascuno dei fasci di sei eliche originali per avere un'elica con un ulteriore pezzo di DNA a singolo filamento che sporge da entrambe le estremità. Quando assemblati negli ottaedri 3D, ogni vertice della cornice aveva alcuni di questi legami "appiccicosi" disponibili per il legame con oggetti rivestiti con filamenti di DNA complementari.
"Quando le nanoparticelle ricoperte da legami a filamento singolo vengono mescolate con gli ottaedri di origami del DNA, i pezzi di DNA "liberi" si trovano l'un l'altro in modo che le basi possano accoppiarsi secondo le regole del codice di complementarietà del DNA. Thus the specifically DNA-encoded particles can find their correspondingly designed place on the octahedron vertices" Gang said.
The scientists can change what binds to each vertex by changing the DNA sequences encoded on the tethers. In un esperimento, they encoded the same sequence on all the octahedron's tethers, and attached strands with a complementary sequence to gold nanoparticles. The result:One gold nanoparticle attached to each of octahedron's six vertices.
By strategically placing tethers on particular vertices, the scientists used the octahedrons to link nanoparticles into one-dimensional chainlike arrays (left) and two-dimensional square sheets (right). Credito:Brookhaven National Laboratory
In additional experiments the scientists changed the sequence of some vertices and used complementary strands on different kinds of particles, illustrating that they could direct the assembly and arrangement of the particles in a very precise way. In one case they made two different arrangements of the same three pairs of particles of different sizes, producing products with different optical properties. They were even able to use DNA tethers on selected vertices to link octahedrons end to end, forming chains, and in 2D arrays, forming sheets.
Visualization of arrays
Confirming the particle arrangements and structures was a major challenge because the nanoparticles and the DNA molecules making up the frames have very different densities. Certain microscopy techniques would reveal only the particles, while others would distort the 3D structures.
To see both the particles and origami frames, the scientists used cryo-electron microscopy (cryo-EM), led by Brookhaven Lab and Stony Brook University biologist Huilin Li, an expert in this technique, and Tong Wang, the paper's other lead co-author, who works in Brookhaven's Biosciences department with Li. They had to subtract information from the images to "see" the different density components separately, then combine the information using single particle 3D reconstruction and tomography to produce the final images.
"Cryo-EM preserves samples in their near-native states and provides close to nanometer resolution, " Wang said. "We show that cryo-EM can be successfully applied to probe the 3D structure of DNA-nanoparticle clusters."
These images confirm that this approach to direct the placement of nanoparticles on DNA-encoded vertices of molecular frames could be a successful strategy for fabricating novel nanomaterials.
