Fig. 1 . Formazione spontanea di nanofili di DNA allineati. ( UN ) Illustrazioni schematiche della formazione spontanea di un array di nanofili di DNA mediante il ripiegamento della pelle indotto da filamenti d'acqua contenenti molecole di DNA. ( B ) Immagini sequenziali al microscopio ottico di una goccia di soluzione di DNA che si diffonde sulle rughe (t =5 min, ε ≈ −0,03); la transizione da ruga a piega avviene al confine e si propaga con il bordo della gocciolina. ( C ) Immagine AFM di una serie di nanofili di DNA che si estendono dal confine (t =2 min, ε ≈ −0.02). I profili di linea per ciascuna regione sono mostrati accanto all'immagine. (Barre della scala: B , 50 micron e C , 4 micron). Attestazione:Nagashimaa S, Haa HD, Kima DH, Košmrljb A, pietra HA, Moon M-W (2017) Formazione spontanea di nanofili di DNA allineati mediante piegatura della pelle indotta dalla capillarità. Proc Natl Acad Sci USA 114:24 6233-6237.
(Phys.org)—I nanofili ricavati dal DNA (acido desossiribonucleico)—uno dei diversi tipi di nanofili molecolari che incorporano unità molecolari ripetute—sono esattamente questo:nanostrutture geometriche a base di DNA simili a fili definite variamente come aventi un 1~10 nm (10 −9 m) diametro o un rapporto lunghezza/diametro> 1000. Mentre i nanofili possono essere realizzati con diversi materiali organici e inorganici, È stato dimostrato che i nanofili di DNA forniscono una gamma di preziose applicazioni nell'autoassemblaggio programmato 1, 2 di materiali funzionali, inclusi nanofili metallici e semiconduttori per l'uso in dispositivi elettronici, nonché biologici, medico, e applicazioni di analisi genetica 3, 4, 5 . Detto ciò, L'adozione di nanofili di DNA è stata limitata a causa di limitazioni storiche nella capacità di controllare i loro parametri strutturali, in particolare, dimensione, geometria e allineamento. Recentemente, però, gli scienziati del Korea Institute of Science and Technology e della Princeton University hanno sfruttato le forze capillari dell'acqua contenente molecole di DNA per dimostrare nanofili di DNA allineati, diritti o ondulati, di dimensioni controllabili, formati spontaneamente dall'acqua che entra nei canali rugosi di una pelle sottile compressa su un substrato morbido, che successivamente ha indotto una transizione da rughe a pieghe.
Assistant Professor e autore principale So Nagashima, Professore assistente Andrej Košmrlj, Donald R. Dixon '69 ed Elizabeth W. Dixon Professor Howard A. Stone, e il principale ricercatore scientifico Myoung-Woon Moon hanno discusso del documento che loro e i loro coautori hanno pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . "Penso che l'aspetto più impegnativo dell'ideazione del nostro metodo per utilizzare un modello di pelle sottile che risponde all'acqua modificando dinamicamente la sua morfologia superficiale sia stato trovare le condizioni in cui si verifica la transizione da rughe a pieghe, "La luna racconta Phys.org . "Le condizioni critiche in funzione della deformazione applicata, geometrie iniziali delle rughe, e lo spessore dello strato cutaneo determinato dalla durata del trattamento con plasma di ossigeno erano difficili da trovare." Moon aggiunge che la tecnica di osservazione per la transizione dinamica era limitata ai soli microscopi ottici la cui risoluzione ottica più alta cade tra 100 e 1000 nm nella larghezza dei nanofili, ciò è dovuto alla transizione dinamica che avviene su scala submicronica.
Quando si induce una transizione da rughe a pieghe sulla superficie del modello sfruttando le forze capillari dell'acqua contenente molecole di DNA, Pietra sottolinea, l'osservazione che l'acqua modifica la transizione da ruga a piega è nuova. "Per quanto ne sappiamo, il nostro è il primo studio a mostrare questo effetto, come sta dimostrando un uso di tali pieghe per l'allineamento del DNA. Inoltre, il controllo della tensione superficiale o delle forze capillari risultanti e l'area per la formazione delle pieghe è relativamente difficile e aggiungendo molecole di DNA all'acqua, sembra che la tensione superficiale sia cambiata, quindi la lunghezza della transizione della piega era più corta."
La preparazione del modello ha utilizzato un trattamento al plasma di ossigeno di polidimetilsilossano prestirato (o PDMS, un composto polimerico organosilicio) substrati per durate variabili. "Infatti, "Spiega Luna, "la manipolazione del PDMS con lo strain di prestiro è un metodo relativamente ben sviluppato come lo è il trattamento al plasma di ossigeno:entrambi sono stati discussi in letteratura. Possiamo realizzare campioni di varie dimensioni da pochi millimetri a pochi centimetri, che può essere realizzato anche su un'area molto più ampia." Moon osserva che i ricercatori possono anche variare le proprietà meccaniche del polidimetilsilossano, per renderlo più elastico, morbido o flessibile, modificando il rapporto tra elastomero e reticolante per la preparazione del PDMS.
Un aspetto chiave dello studio è stato confermare che il nuovo metodo manipola in modo affidabile le dimensioni dei nanofili di DNA, geometria, e allineamento. "Regolando le condizioni per lo stiramento della tensione, durata del trattamento al plasma, e post-compressione del PDMS allungato, I nanofili di DNA possono essere un mezzo cilindro, un cilindro perfetto, o a forma di filo ondulato, "La luna racconta Phys.org . "Modificando le geometrie delle rughe come l'ampiezza, che è governata dalla deformazione, è possibile controllare la distanza tra i fili nel canale di piegatura". distanze maggiori tra i fili, lui continua, può essere ottenuto comprimendo meno il PDMS, mentre comprimendo di più il substrato si ottengono distanze minori.
Per affrontare queste sfide, gli scienziati hanno scoperto una trasformazione risultante da forze capillari che agiscono sul bordo di una goccia d'acqua che può, con solo l'1% di compressione, trasformare le rughe in pieghe, che in assenza di una goccia di liquido si formano solo a compressione molto elevata (~30%). Inoltre, Luna aggiunge, sostanze più piccole come biomolecole o nanoparticelle possono seguire il canale dell'acqua per formare nanostrutture unidimensionali allineate. "Più piccolo è meglio. Meno è meglio. Abbiamo scoperto che la transizione da rughe a pieghe avviene più facilmente quando i seguenti fattori diventano più piccoli:livello di compressione, spessore della pelle, volume delle gocce, dimensione della superficie del campione, e gli angoli di contatto statico delle goccioline."
Sulla base delle loro scoperte, gli autori hanno affermato che il loro approccio potrebbe portare a nuovi modi di fabbricare materiali funzionali. "La nostra scoperta chiave è che si possono trasformare le rughe in pieghe localizzate semplicemente sfruttando le forze capillari dell'acqua sulle superfici rugose sotto uno sforzo molto piccolo di circa l'1% in compressione, " Nagashima racconta Phys.org . "Recenti studi riportati in letteratura hanno dimostrato che tali transizioni da rughe a pieghe possono aiutare a sviluppare sistemi che cambiano dinamicamente le loro proprietà in base alla morfologia della superficie. Tuttavia, indurre la transizione in assenza di acqua è difficile da realizzare in pratica perché, generalmente, grande compressione deve essere applicata al sistema pelle-substrato, che ostacola applicazioni più ampie. Il nostro studio rivela che anche l'1% di compressione, che è il livello critico per la creazione delle rughe nel nostro caso, è abbastanza grande da innescare localmente la transizione alle pieghe quando è presente l'acqua." Nagashima osserva che mentre il livello di compressione richiesto per indurre la transizione potrebbe differire a seconda del sistema pelle-pellicola utilizzato, sarebbe necessario solo un piccolo livello di compressione in combinazione con l'acqua.
figura 2. Ripiegamento cutaneo indotto dalla capillarità. ( UN ) Immagine al microscopio ottico di una serie di rughe e pieghe attorno al confine di una goccia d'acqua posta su una superficie rugosa (t =20 min, ε ≈ −0.03). La freccia blu indica un filamento d'acqua. ( B ) Illustrazioni schematiche della transizione da ruga a piega della pelle a causa delle forze di tensione superficiale dell'acqua. Le immagini rappresentative dell'AFM e i profili delle linee sono mostrati sotto le illustrazioni. ( C ) Illustrazioni schematiche e immagini al microscopio ottico che mostrano l'evoluzione delle pieghe localizzate all'aumentare di (t =10 min). Una goccia d'acqua è stata posta sulla superficie prima della compressione; la freccia blu e i triangoli rossi indicano la formazione di un filamento d'acqua e pieghe localizzate, rispettivamente. ( D e E ) La distanza picco-picco delle rughe (LW) e delle pieghe (LF) e la lunghezza (l) e la spaziatura (s) delle pieghe in funzione di t. ( E , inserto ) Illustrazione schematica che mostra la vista dall'alto di una serie di pieghe al confine. (F) LW e LF in funzione di |ε| (t =3 minuti). ( F , inserto ) Profili di linea delle pieghe per |ε| 0,02, 0,08, e 0,17. (Barre della scala: UN , 10 micron; B , 5 micron; e C , 50 micron). Attestazione:Nagashimaa S, Haa HD, Kima DH, Košmrljb A, pietra HA, Moon M-W (2017) Formazione spontanea di nanofili di DNA allineati mediante piegatura della pelle indotta dalla capillarità. Proc Natl Acad Sci USA 114:24 6233-6237.
"Questo fenomeno può essere considerato un metodo privo di litografia che consente la pronta fabbricazione di array di nanomateriali, dove la loro dimensione, lunghezza, e la periodicità potrebbero essere sintonizzati in modo robusto, " continua. "Inoltre, non solo l'acqua, ma altri liquidi potrebbero essere utilizzati per trasportare nanomateriali e per indurre la transizione da rughe a pieghe".
Moon descrive diversi esempi di potenziale de novo tecniche di fabbricazione e analisi, compresa la litografia su nanoscala, nanoimpronta, crescita per deposizione chimica da vapore, e reazione chimica. "Il nostro metodo può essere potenzialmente utilizzato per la fabbricazione di nanofili o nanoarray monodimensionali da applicare all'analisi del DNA con quantità di DNA molto diluite o piccole; modelli di DNA come nuove nanostrutture metalliche o ceramiche; e dispositivi di trattamento del DNA per la guarigione del DNA modificato. In aggiunta, si può adottare questa tecnica per gestire le proteine, sangue, o nanoparticelle su nanoscala."
Košmrlj e Stone raccontano Phys.org che un'area di ricerca pianificata è focalizzata sull'analisi e sulla modellazione non lineare per una migliore comprensione quantitativa della transizione da rughe a pieghe indotta dalla capillarità. "Poiché il nostro sistema è composto dal comportamento meccanico della transizione di piega innescata dalla tensione superficiale del liquido, la transizione da rughe a pieghe che abbiamo trovato è associata a grandi deformazioni in cui non si applica la teoria dell'elasticità lineare convenzionale. Mentre i meccanismi di base possono essere spiegati all'interno della teoria lineare, il confronto quantitativo con gli esperimenti può essere ottenuto solo tenendo conto delle non linearità geometriche e dei materiali. Stiamo quindi eseguendo simulazioni numeriche accoppiando tensione superficiale liquida e deformazione solida, oltre a eseguire analisi con serie di perturbazioni, dove le non linearità delle strutture elastiche possono essere studiate sistematicamente."
"Penso anche che le sfide future siano trovare come raggiungere aree più ampie per la formazione del modello del DNA, "Dice Moon. "In effetti, i nostri ultimi risultati, ottenuti dopo l'accettazione di questo articolo PNAS, mostrano alcuni progressi impressionanti per la regione con transizione da rughe a pieghe in aree più grandi, come l'intera area sotto una goccia d'acqua. Un'altra area da studiare, Luna continua, riguarda il fatto che la morfogenesi biologica dei sistemi pelle-substrato è onnipresente negli organismi in cui l'acqua è un costituente principale. "Stiamo cercando di trovare situazioni in cui i nostri risultati siano applicabili. Sarebbe utile collaborare attivamente con esperti del settore".
I ricercatori potrebbero anche indagare su materiali diversi dal PDMS. "Sì. altri polimeri possono funzionare se possiedono i fattori di base per governare la transizione delle pieghe, questi essendo la sottigliezza della nano-pelle e dei materiali morbidi del corpo, e idrofilia superficiale per garantire una reazione superficiale sufficiente con il liquido, "Note di luna.
figura 3. Nanofili di DNA sintonizzabili. ( UN ) Immagini al microscopio ottico a campo chiaro e scuro di nanofili di DNA creati dalla transizione da rughe a pieghe indotta dalla capillarità. Dopo l'evaporazione della goccia, lo sforzo è stato regolato per vedere la struttura all'interno delle pieghe. ( B ) Immagini al microscopio confocale di una serie di nanofili di DNA che si estendono dal confine alle posizioni indicate dai triangoli gialli. ( C ) Immagini AFM di nanofili di DNA ottenute utilizzando rughe preparate con vari ε (t =10 min). Dopo che le pieghe si sono formate, il ceppo è stato aggiustato a ε ≈ 0.00. I profili di linea dei nanofili indicati dalle linee tratteggiate verdi sono mostrati nelle immagini. ( D ) Altezza dei nanofili in funzione di t (ε ≈ -0.03). ( E ) Cambiamenti nella forma di un nanofilo di DNA da diritto a rugoso con aumento della tensione di trazione. ( F ) La lunghezza d'onda (simboli neri) e l'ampiezza (simboli arancioni) dei nanofili di DNA rugosi in funzione della tensione applicata. ( G e h ) I profili lineari del nanofilo di DNA e della superficie della pelle prima e dopo l'applicazione del ceppo di trazione (cioè, ε ≈ −0.02 e 0.05, rispettivamente). Il colore dei profili corrisponde a quello delle linee tratteggiate indicate nelle immagini AFM riportate in E . (Barre della scala: UN e B , 10 micron; C , 2 micron; e E , 1 micron). Attestazione:Nagashimaa S, Haa HD, Kima DH, Košmrljb A, pietra HA, Moon M-W (2017) Formazione spontanea di nanofili di DNA allineati mediante piegatura della pelle indotta dalla capillarità. Proc Natl Acad Sci USA 114:24 6233-6237.
Altri possibili futuri interessi di ricerca e ulteriori innovazioni menzionati dagli autori includono:
- analisi teorica per chiarire la fisica sottostante relativa al ripiegamento superficiale indotto dall'acqua
- sfruttare la fisica sottostante per sviluppare un metodo di fabbricazione robusto e di massa per indurre la transizione da rughe a pieghe
- trovare e discutere i cambiamenti morfologici in natura in cui l'acqua è probabilmente un fattore chiave
- applicare i risultati dello studio corrente all'analisi del DNA o ai dispositivi farmacologici del DNA
- Sensori 2-D/3-D, Strumenti diagnostici, e sistemi di rilascio di farmaci
- modelli per la fabbricazione di nanomateriali unidimensionali
- metodi per il patterning locale
"Credo che questo lavoro sia vantaggioso per la scienza dei materiali per i modelli di nanofili, meccanica per canali fluidici, e biologia per l'analisi quantitativa del DNA o di altre biomolecole, "La luna conclude.
© 2017 Phys.org
