Le nanoparticelle (palline gialle) ricoperte da un breve DNA a filamento singolo (linee ondulate blu) sono mescolate con cornici poliedriche di DNA (dall'alto verso il basso):cubo, ottaedro, bipiramide quadrata allungata, prisma, e bipiramide triangolare. I vertici dei frame sono codificati con filamenti di DNA complementari per il legame delle nanoparticelle. Quando i frame e le particelle corrispondenti si mescolano, formano un quadro. Credito:Brookhaven National Laboratory
un cubo, un ottaedro, un prisma:queste sono tra le strutture poliedriche, o cornici, fatto di DNA che gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno progettato per collegare le nanoparticelle in una varietà di reticoli tridimensionali (3D) precisamente strutturati. Gli scienziati hanno anche sviluppato un metodo per integrare nanoparticelle e frame di DNA in moduli interconnessi, ampliando la diversità delle strutture possibili.
Questi successi, descritto in articoli pubblicati in Materiali della natura e Chimica della natura , potrebbe consentire la progettazione razionale di nanomateriali con ottica migliorata o combinata, elettrico, e proprietà magnetiche per ottenere le funzioni desiderate.
"Miriamo a creare nanostrutture autoassemblate da progetti, " ha detto il fisico Oleg Gang, che ha condotto questa ricerca presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE a Brookhaven. "La struttura dei nostri assemblaggi di nanoparticelle è per lo più controllata dalla forma e dalle proprietà di legame di strutture di DNA progettate con precisione, non dalle nanoparticelle stesse. Consentendoci di progettare diversi reticoli e architetture senza dover manipolare le particelle, il nostro metodo apre grandi opportunità per la progettazione di nanomateriali con proprietà che possono essere migliorate organizzando con precisione i componenti funzionali. Per esempio, potremmo creare materiali mirati ad assorbimento della luce che sfruttano l'energia solare, o materiali magnetici che aumentano la capacità di memorizzazione delle informazioni."
Cornici progettate per le strutture desiderate
Il team di Gang ha precedentemente sfruttato l'accoppiamento di basi complementari del DNA:il legame altamente specifico delle basi noto con le lettere A, T, G, e C che costituiscono i gradini della "scala" a doppia elica del DNA, per unire le particelle in modo preciso. Le particelle rivestite con singoli filamenti di DNA si legano a particelle rivestite con filamenti complementari (A si lega a T e G si lega a C) mentre respingono le particelle rivestite con filamenti non complementari.
Hanno anche progettato strutture di DNA 3D i cui angoli hanno legami di DNA a singolo filamento a cui possono legarsi nanoparticelle rivestite con filamenti complementari. Quando gli scienziati mescolano queste nanoparticelle e telai, i componenti si autoassemblano in reticoli che sono principalmente definiti dalla forma del telaio progettato. Il documento Nature Materials descrive le strutture più recenti ottenute utilizzando questa strategia.
"Nel nostro approccio, usiamo i frame del DNA per promuovere le interazioni direzionali tra le nanoparticelle in modo tale che le particelle si connettano in configurazioni specifiche che raggiungano gli array 3D desiderati, " disse Ye Tian, autore principale sul Materiali della natura carta e un membro del gruppo di ricerca di Gang. "La geometria di ciascun telaio di collegamento delle particelle è direttamente correlata al tipo di reticolo, anche se l'esatta natura di questa relazione è ancora in fase di esplorazione".
Finora, il team ha progettato cinque forme di cornice poliedrica:un cubo, un ottaedro, una bipiramide quadrata allungata, un prisma, e un bypyramid triangolare, ma si potrebbero creare una varietà di altre forme.
"L'idea è di costruire diverse strutture 3D (edifici) dalla stessa nanoparticella (mattone), " ha detto Gang. "Di solito, le particelle devono essere modificate per produrre le strutture desiderate. Il nostro approccio riduce significativamente la dipendenza della struttura dalla natura della particella, che può essere oro, d'argento, ferro da stiro, o qualsiasi altro materiale inorganico."
DNA origami
Per progettare le cornici, il team ha utilizzato DNA origami, una tecnica di autoassemblaggio in cui brevi filamenti sintetici di DNA (fili di fiocco) sono mescolati con un singolo filamento più lungo di DNA derivato biologicamente (filamento di scaffold). Quando gli scienziati riscaldano e raffreddano questa miscela, i fili di graffette si legano selettivamente con o "fissano" il filo dell'impalcatura, facendo sì che il filo dell'impalcatura si pieghi ripetutamente su se stesso. Il software per computer li aiuta a determinare le sequenze specifiche per piegare il DNA nelle forme desiderate.
La piegatura dell'impalcatura di DNA a singolo filamento introduce punti di ancoraggio che contengono estremità "appiccicose" libere - stringhe spaiate di basi di DNA - dove possono attaccarsi nanoparticelle rivestite con legami complementari a singolo filamento. Queste estremità adesive possono essere posizionate ovunque sul telaio del DNA, ma il team di Gang ha scelto gli angoli in modo da poter collegare più frame.
Un diagramma schematico (a sinistra) che mostra come una nanoparticella (pallina gialla) è incorporata all'interno di una cornice di DNA quadrata. I filamenti di DNA all'interno della cornice (linee ondulate blu) sono complementari ai filamenti di DNA sulla nanoparticella; i fili colorati sui bordi esterni del telaio hanno diverse sequenze di DNA che determinano come i moduli di nanoparticelle incorniciati dal DNA possono connettersi. L'architettura mostrata (al centro) è una semplicistica rappresentazione in nanoscala dell'Uomo Vitruviano di Leonardo da Vinci, assemblato da diversi tipi di modulo. Gli scienziati hanno utilizzato la microscopia a forza atomica per generare l'immagine ad alto ingrandimento di questo assieme (a destra). Credito:Brookhaven National Laboratory
Per ogni forma di cornice, il numero di filamenti di DNA che collegano un angolo di cornice a una singola nanoparticella è equivalente al numero di bordi che convergono in quell'angolo. I telai del cubo e del prisma hanno tre fili ad ogni angolo, Per esempio. Realizzando questi attacchi angolari con un numero variabile di basi, gli scienziati possono mettere a punto la flessibilità e la lunghezza dei collegamenti particella-frame.
Le distanze tra le particelle sono determinate dalle lunghezze dei bordi del telaio, che sono decine di nanometri nei telai progettati fino ad oggi, ma gli scienziati dicono che dovrebbe essere possibile personalizzare i telai per ottenere qualsiasi dimensione desiderata.
Gli scienziati hanno verificato le strutture del telaio e le disposizioni delle nanoparticelle attraverso la microscopia crioelettronica (un tipo di microscopia condotta a temperature molto basse) presso il CFN e il dipartimento di biologia di Brookhaven, e diffusione di raggi X presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE a Brookhaven.
Dai mattoncini ai Lego
Nel Chimica della natura carta, Il team di Gang ha descritto come hanno utilizzato un approccio simile basato sul DNA per creare programmabili bidimensionali (2D), strutture di DNA di forma quadrata attorno a singole nanoparticelle.
I filamenti di DNA all'interno dei telai forniscono l'accoppiamento al DNA complementare sulle nanoparticelle, essenzialmente trattenendo la particella all'interno del telaio. Ogni lato esterno del telaio può essere codificato individualmente con diverse sequenze di DNA. Questi filamenti di DNA esterni guidano il riconoscimento e la connessione frame-frame.
Gang paragona questi moduli di nanoparticelle con cornice di DNA ai Lego le cui interazioni sono programmate:"Ogni modulo può contenere un diverso tipo di nanoparticella e collegarsi ad altri moduli in modi diversi ma specifici, completamente determinato dall'accoppiamento complementare delle basi del DNA sui lati della cornice."
(in senso orario da sinistra) Yugang Zhang, Oleg Gang, Alexei Tkachenko, e Ye Tian in un laboratorio di microscopia crioelettronica presso il Centro per i nanomateriali funzionali di Brookhaven. Il team di ricerca di Gang ha utilizzato la microscopia crioelettronica per produrre l'immagine mostrata sullo schermo:un superreticolo di nanoparticelle assemblato con i frame di DNA progettati dal team. Credito:Brookhaven National Laboratory
In altre parole, i frame non solo determinano se le nanoparticelle si collegheranno ma anche come si collegheranno. Programmare i lati del frame con sequenze di DNA specifiche significa che solo i frame con sequenze complementari possono collegarsi.
Mescolare diversi tipi di moduli insieme può produrre una varietà di strutture, simili ai costrutti che possono essere generati dai pezzi di Lego. Creando una libreria dei moduli, gli scienziati sperano di poter assemblare strutture su richiesta.
Assemblaggio prevedibile di nanomateriali multifunzionali
La selettività delle connessioni consente di combinare diversi tipi e dimensioni di nanoparticelle in singole strutture.
La geometria delle connessioni, o come le particelle sono orientate nello spazio, è molto importante per progettare strutture con le funzioni desiderate. Per esempio, le nanoparticelle otticamente attive possono essere disposte in una particolare geometria per ruotare, filtro, assorbire, ed emettono luce:capacità rilevanti per le applicazioni di raccolta dell'energia, come schermi e pannelli solari.
Utilizzando diversi moduli della "libreria, " Il team di Gang ha dimostrato l'autoassemblaggio di array lineari unidimensionali, catene a "zigzag", grappoli quadrati e a forma di croce, e reticoli quadrati 2D. Gli scienziati hanno persino generato un semplicistico modello in nanoscala dell'Uomo Vitruviano di Leonardo da Vinci.
"Volevamo dimostrare che le complesse architetture di nanoparticelle possono essere autoassemblate utilizzando il nostro approccio, " ha detto Gang.
Ancora, gli scienziati hanno utilizzato sofisticate tecniche di imaging - microscopia elettronica e a forza atomica al CFN e diffusione dei raggi X a NSLS-II - per verificare che le loro strutture fossero coerenti con i progetti prescritti e per studiare in dettaglio il processo di assemblaggio.
"Sebbene siano necessari molti studi aggiuntivi, i nostri risultati mostrano che stiamo facendo progressi verso il nostro obiettivo di creare materiale progettato tramite l'autoassemblaggio, inclusi array periodici di particelle e nanoarchitetture complesse con forme libere, " ha detto Gang. "Il nostro approccio è entusiasmante perché è una nuova piattaforma per la produzione su nanoscala, uno che può portare a una varietà di materiali funzionali progettati razionalmente."
