Usando il DNA piegato per posizionare con precisione molecole incandescenti all'interno di risonatori di luce microscopici, i ricercatori del Caltech hanno creato una delle riproduzioni più piccole al mondo de La notte stellata di Vincent van Gogh. La riproduzione e la tecnica utilizzata per crearla sono descritte in un articolo pubblicato nell'edizione anticipata online della rivista Natura l'11 luglio

L'immagine monocromatica - della larghezza di una monetina - era un progetto di prova che dimostrava, per la prima volta, come il posizionamento di precisione dell'origami del DNA può essere utilizzato per costruire dispositivi basati su chip come circuiti di computer su scale più piccole che mai.

origami del DNA, sviluppato 10 anni fa da Paul Rothemund del Caltech (BS '94), è una tecnica che consente ai ricercatori di piegare un lungo filamento di DNA in qualsiasi forma desiderata. Il DNA piegato funge quindi da impalcatura su cui i ricercatori possono attaccare e organizzare tutti i tipi di componenti su scala nanometrica, dalle molecole fluorescenti ai nanotubi di carbonio elettricamente conduttivi ai farmaci.

"Pensa un po' come i pannelli forati che le persone usano per organizzare gli attrezzi nei loro garage, solo in questo caso, il pannello forato si assembla da filamenti di DNA e anche gli strumenti trovano le loro posizioni, "dice Rothemund, professore di ricerca di bioingegneria, scienze informatiche e matematiche, e sistemi di calcolo e neurali. "Succede tutto in provetta senza intervento umano, il che è importante perché tutte le parti sono troppo piccole per essere manipolate in modo efficiente, e vogliamo realizzare miliardi di dispositivi".

Il processo ha il potenziale per influenzare una varietà di applicazioni, dalla somministrazione di farmaci alla costruzione di computer su nanoscala. Ma per molte applicazioni, organizzare componenti su scala nanometrica per creare dispositivi su pannelli forati del DNA non è sufficiente; i dispositivi devono essere cablati insieme in circuiti più grandi e devono avere un modo per comunicare con dispositivi su larga scala.

Un primo approccio è stato quello di realizzare prima gli elettrodi, e poi disperdere i dispositivi in ​​modo casuale su una superficie, con l'aspettativa che almeno alcuni sarebbero atterrati dove desiderato, un metodo che Rothemund descrive come "spruzzare e pregare".

Nel 2009, Rothemund e colleghi di IBM Research hanno descritto per la prima volta una tecnica attraverso la quale gli origami del DNA possono essere posizionati in punti precisi sulle superfici utilizzando la litografia a fascio di elettroni per incidere i siti di legame appiccicosi che hanno la stessa forma dell'origami. Per esempio, le patch appiccicose triangolari legano il DNA piegato triangolare.

Negli ultimi sette anni, Rothemund e Ashwin Gopinath, borsista postdottorato senior in bioingegneria al Caltech, hanno perfezionato ed esteso questa tecnica in modo che le forme del DNA possano essere posizionate con precisione su quasi tutte le superfici utilizzate nella produzione di chip per computer. Nel Natura carta, riportano la prima applicazione della tecnica, utilizzando l'origami del DNA per installare molecole fluorescenti in sorgenti di luce microscopiche.

"È come usare l'origami del DNA per avvitare lampadine molecolari in lampade microscopiche, "dice Rothemund.

In questo caso, le lampade sono strutture microfabbricate chiamate cavità a cristalli fotonici (PCC), che sono sintonizzati per risuonare ad una particolare lunghezza d'onda della luce, proprio come un diapason vibra con un tono particolare. Creato all'interno di una sottile membrana simile al vetro, un PCC assume la forma di un difetto a forma di batterio all'interno di un alveare di fori altrimenti perfetto.

"A seconda delle dimensioni esatte e della spaziatura dei fori, una particolare lunghezza d'onda della luce si riflette sul bordo della cavità e rimane intrappolata all'interno, "dice Gopinath, l'autore principale dello studio. Ha costruito PCC sintonizzati per risuonare a circa 660 nanometri, la lunghezza d'onda corrispondente ad una profonda sfumatura del colore rosso. Le molecole fluorescenti sintonizzate per brillare a una lunghezza d'onda simile illuminano le lampade, a condizione che si attacchino esattamente al punto giusto all'interno del PCC.

"Una molecola fluorescente sintonizzata sullo stesso colore di un PCC in realtà brilla più intensamente all'interno della cavità, ma la forza di questo effetto di accoppiamento dipende fortemente dalla posizione della molecola all'interno della cavità. Poche decine di nanometri è la differenza tra la molecola che brilla intensamente, o per niente, " dice Gopinath.

Spostando l'origami del DNA attraverso i PCC con passaggi di 20 nanometri, i ricercatori hanno scoperto che potevano tracciare uno schema a scacchiera di punti caldi e freddi, dove le lampadine molecolari brillavano debolmente o fortemente. Di conseguenza, sono stati in grado di utilizzare gli origami del DNA per posizionare le molecole fluorescenti per realizzare lampade di intensità variabile. Strutture simili sono state proposte per alimentare i computer quantistici e per l'uso in altre applicazioni ottiche che richiedono molte minuscole sorgenti luminose integrate insieme su un singolo chip.

"Tutti i precedenti lavori di accoppiamento degli emettitori di luce ai PCC hanno creato con successo solo una manciata di lampade funzionanti, a causa della straordinaria difficoltà di controllare in modo riproducibile il numero e la posizione degli emettitori in una cavità, " dice Gopinath. Per dimostrare la loro nuova tecnologia, i ricercatori hanno deciso di ampliare e fornire una dimostrazione visivamente avvincente. Creando PCC con un numero diverso di siti di legame, Gopinath è stata in grado di installare in modo affidabile qualsiasi numero da zero a sette origami di DNA, permettendogli di controllare digitalmente la luminosità di ogni lampada. Ha trattato ogni lampada come un pixel con una delle otto diverse intensità, e ha prodotto una serie di 65, 536 dei pixel PCC (una griglia di 256 x 256 pixel) per creare una riproduzione de "La notte stellata" di Van Gogh.

Ora che il team può combinare in modo affidabile le molecole con i PCC, stanno lavorando per migliorare gli emettitori di luce. Attualmente, le molecole fluorescenti durano circa 45 secondi prima di reagire con l'ossigeno e "bruciarsi, " ed emettono poche sfumature di rosso piuttosto che un singolo colore puro. Risolvere entrambi questi problemi aiuterà con applicazioni come i computer quantistici.

"A parte le applicazioni, c'è un sacco di scienza fondamentale da fare, " dice Gopinath.