ДНК как идеальный каркас для рационально спроектированных наноструктур
Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США разработали полиэдрические каркасы из ДНК (куб, октаэдр, призма и др.) для соединения наночастиц в точно структурированные трехмерные решетки. Также был создан метод интеграции наночастиц и ДНК-каркасов во взаимосвязанные модули, что расширяет разнообразие возможных структур.
Эти достижения, описанные в статьях в Nature Materials и Nature Chemistry, могут позволить рационально проектировать наноматериалы с улучшенными или комбинированными оптическими, электрическими и магнитными свойствами для достижения заданных функций.
«Мы стремимся создавать самоорганизующиеся наноструктуры по чертежам», — сказал физик Олег Ганг, руководивший исследованием в Центре функциональных наноматериалов (CFN). — «Структура наших сборок наночастиц в основном контролируется формой и связывающими свойствами точно спроектированных ДНК-каркасов, а не самими частицами».
Спроектированные каркасы для желаемых структур
Команда использовала свойство комплементарного спаривания оснований ДНК (A с T, G с C) для направленного соединения частиц. Частицы, покрытые одноцепочечными ДНК, связываются с каркасами, на углах которых есть комплементарные «липкие концы» ДНК. При смешивании компоненты самоорганизуются в решетки, форма которых в основном определяется формой каркаса.
На сегодня создано пять форм полиэдрических каркасов: куб, октаэдр, удлиненная квадратная бипирамида, призма и треугольная бипирамида, но возможно создание и других форм.
«Идея в том, чтобы строить разные 3D-структуры (здания) из одной и той же наночастицы (кирпича)», — пояснил Ганг. — «Обычно частицы нужно модифицировать для получения нужных структур. Наш подход значительно снижает зависимость структуры от природы частицы, которой может быть золото, серебро, железо или любой другой неорганический материал».
ДНК-оригами
Для создания каркасов использовалась техника ДНК-оригами. Короткие синтетические цепи ДНК («скрепки») смешиваются с длинной одноцепочечной ДНК («каркас»). При термоциклировании «скрепки» избирательно связываются с «каркасом», заставляя его многократно складываться в заданную форму. Компьютерное ПО помогает определить конкретные последовательности для складывания.
На углах свернутого каркаса создаются точки крепления с «липкими концами», к которым могут прикрепляться наночастицы. Количество ДНК-цепей, связывающих угол каркаса с частицей, эквивалентно количеству ребер, сходящихся в этом углу (например, три для куба). Длину и гибкость связей можно настраивать, варьируя количество оснований в «липких концах».
Межчастичные расстояния определяются длиной ребер каркаса (пока десятки нанометров), но каркасы можно масштабировать до любых желаемых размеров.
Структуры каркасов и расположение наночастиц проверялись с помощью крио-электронной микроскопии в CFN и отделе биологии Брукхейвена, а также рентгеновского рассеяния на источнике синхротронного излучения NSLS-II.
От кирпичей к Lego
В работе для Nature Chemistry команда описала создание программируемых двумерных квадратных ДНК-каркасов вокруг отдельных наночастиц.
ДНК-цепи внутри каркаса связываются с комплементарной ДНК на частице, удерживая ее внутри. Каждая внешняя сторона рамки может быть индивидуально закодирована разными последовательностями ДНК. Эти внешние цепи направляют распознавание и соединение каркасов друг с другом.
«Каждый модуль может содержать наночастицу разного типа и сцепляться с другими модулями разными, но специфичными способами, полностью определяемыми комплементарным спариванием оснований ДНК на сторонах каркаса», — сравнил Ганг эти модули с Lego.
Программируя стороны каркасов определенными последовательностями ДНК, можно добиться соединения только каркасов с комплементарными последовательностями. Смешивая разные типы модулей, можно получать разнообразные структуры. Создание «библиотеки» таких модулей позволит собирать структуры по требованию.
Предсказуемая сборка многофункциональных наноматериалов
Селективность связей позволяет комбинировать в единых структурах наночастицы разных типов и размеров. Геометрия соединений (ориентация частиц в пространстве) критически важна для проектирования структур с желаемыми функциями (например, для управления светом в энерго-собирающих приложениях).
Используя разные модули из «библиотеки», команда продемонстрировала самоорганизацию в:
- одномерные линейные массивы,
- «зигзагообразные» цепочки,
- кластеры квадратной и крестообразной формы,
- двумерные квадратные решетки.
Ученые даже создали упрощенную наномасштабную модель «Витрувианского человека» Леонардо да Винчи, чтобы показать возможность сборки сложных архитектур.
Для проверки структур и изучения процесса сборки снова использовались электронная и атомно-силовая микроскопия (CFN) и рентгеновское рассеяние (NSLS-II).
«Хотя требуется еще много исследований, наши результаты показывают, что мы продвигаемся к цели создания проектируемой материи путем самоорганизации, включая периодические массивы частиц и сложные наноархитектуры произвольной формы», — заключил Ганг. — «Наш подход открывает новую платформу для наномасштабного производства, которая может привести к созданию разнообразных рационально спроектированных функциональных материалов».