ДНК-связанные наночастицы образуют переключаемые «тонкие плёнки» на поверхности жидкости

Учёные, исследующие способы сборки наночастиц размером в миллиардные доли метра, впервые сформировали однослойный массив наночастиц на поверхности жидкости, свойства которого можно легко изменять. Понимание сборки таких наноструктурированных тонких плёнок может привести к созданию новых типов фильтров или мембран с переменным механическим откликом. Поскольку в исследовании для связывания наночастиц использовались синтетические цепочки ДНК, работа также проливает свет на механизм взаимодействия наночастиц и молекул ДНК вблизи липидной мембраны. Это важно для разработки наночастиц как средств доставки генов через клеточные мембраны.

«Наша работа показывает, как ДНК-покрытые наночастицы взаимодействуют и реорганизуются на липидной границе раздела, и как этот процесс влияет на свойства "тонкой плёнки" из ДНК-связанных наночастиц», — сказал физик Олег Ганг, руководивший исследованием в Центре функциональных наноматериалов (CFN) Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США.

Целью исследования было создание двумерных, одночастичных по толщине плёнок с помощью ДНК. Учёные продемонстрировали возможность получения монослоев разной структуры — от вязкого жидкообразного массива до более плотной сшитой эластичной сетки — и переключения между этими состояниями. Для этого они варьировали силу связывания комплементарных цепочек ДНК, электростатический заряд поверхности сборки (липида) и концентрацию соли.

Механизм переключения:

• При сильном положительном заряде липидной поверхности она притягивает отрицательно заряженные ДНК-цепи, покрывающие наночастицы. Электростатическое притяжение и отталкивание между ДНК соседних частиц преобладают над силой связывания комплементарных оснований ДНК. В результате образуется рыхлый, свободно плавающий вязкий монослой.
• Добавление соли меняет взаимодействия и преодолевает отталкивание одноимённо заряженных цепей ДНК. Это позволяет основаниям спариваться и более тесно связывать наночастицы, сначала образуя нитевидные массивы, а затем — более твёрдый, но эластичный сетчатый слой.

«Механизм этого фазового перехода неочевиден... С помощью теории мы выяснили, что существуют коллективные эффекты гибких цепей ДНК, которые переводят систему в определённые состояния. И это возможно только тогда, когда размеры частиц и цепей ДНК сравнимы — порядка 20-50 нанометров», — пояснил Олег Ганг.

Для изучения конфигураций наночастиц на поверхности жидкости использовали рентгеновское рассеяние на Национальном источнике синхротронного излучения (NSLS) Брукхейвена. Монослой также переносили на твёрдую подложку и визуализировали с помощью электронной микроскопии в CFN, подтвердив минимальные нарушения структуры при переносе.

Потенциальные применения:

• Регулируемые мембраны: Переключаемая природа монослоев может быть использована в мембранах для очистки, разделения или контроля транспорта молекулярных или наноразмерных объектов через границы раздела жидкостей. В рыхлом состоянии плёнка может пропускать молекулы, а в состоянии сетки — блокировать объекты, размер которых превышает размер ячейки.
• Биомедицина: Понимание взаимодействия синтетических ДНК-покрытых наночастиц с липидной поверхностью даёт представление о том, как подобные частицы, несущие гены, могут взаимодействовать с клеточными мембранами (состоящими в основном из липидов) в среде, важной для генной терапии и диагностики.

«Наше исследование — первое в своём роде, которое непосредственно с помощью рентгеновского рассеяния изучает структурные аспекты взаимодействия ДНК-частиц с липидной границей раздела. Я считаю, что этот подход имеет значительную ценность как платформа для более детального изучения реалистичных систем, важных для новых биомедицинских применений ДНК-наночастиц», — заключил Ганг.