ДНК-нанофабрики создают 3D-металлические наночастицы заданной формы

Исследователи из Института биологически инспирированной инженерии Висса при Гарвардском университете представили новый метод формирования крошечных 3D-металлических наночастиц заданной формы и размеров, используя ДНК в качестве литейной формы.

Возможность отливать неорганические наночастицы из таких материалов, как золото и серебро, в точно спроектированных 3D-формах — это значительный прорыв, который может продвинуть лазерные технологии, микроскопию, солнечные элементы, электронику, экологический мониторинг, диагностику заболеваний и многое другое.

«Мы построили крошечные фабрики из жёсткой ДНК для изготовления металлических наночастиц в точных трёхмерных формах, которые мы спланировали и спроектировали цифровым способом», — сказал Пэн Инь, старший автор статьи.

Результаты команды Института Висса, описанные в статье «Отливка неорганических структур с помощью ДНК-форм», опубликованы в Science. Работа выполнена в сотрудничестве с Лабораторией вычислительной биологии и биофизики MIT.

«Результаты статьи описывают значительный прогресс как в ДНК-нанотехнологии, так и в синтезе неорганических наночастиц», — сказал Инь. Впервые достигнута общая стратегия производства неорганических наночастиц с заданными пользователем 3D-формами для получения частиц размером до 25 нанометров или меньше с замечательной точностью (менее 5 нанометров). Лист бумаги имеет толщину примерно 100 000 нанометров.

Сначала 3D-неорганические наночастицы задумываются и тщательно планируются с помощью компьютерного программного обеспечения. Исследователи проектируют трёхмерные «каркасы» желаемого размера и формы, построенные из линейных последовательностей ДНК, которые предсказуемым образом притягиваются и связываются друг с другом.

«За годы учёные очень преуспели в создании сложных 3D-форм из ДНК, используя различные стратегии», — сказал Вэй Сунь, ведущий автор статьи. Например, в 2012 году команда Института Висса показала, как компьютерное проектирование можно использовать для создания сотен различных самоassembлирующихся одно-, двух- и трёхмерных наноформ ДНК с идеальной точностью. Именно эта способность проектировать произвольные наноструктуры с помощью манипуляций с ДНК вдохновила команду на использование этих структур ДНК в качестве практических фабрик или «форм» для неорганических веществ.

«Задача заключалась в том, чтобы перевести этот вид 3D-геометрического контроля в способность отливать структуры из других разнообразных и функционально значимых материалов, таких как золото и серебро», — сказал Сунь.

Подобно тому, как любой расширяющийся материал можно формовать внутри литейной формы для придания определённой 3D-формы, команда Института Висса начала выращивать неорганические частицы в ограниченных полых пространствах жёстких ДНК-наноструктур.

Концепцию можно сравнить с японским методом выращивания арбузов в стеклянных кубах. Выращивая семена арбуза до зрелости внутри кубических стеклянных ящиков, японские фермеры создают кубические зрелые дыни, что позволяет плотно упаковывать и хранить фрукты.

Исследователи аналогичным образом поместили крошечное золотое «семя» внутрь полости их тщательно спроектированной кубической ДНК-формы, а затем стимулировали его рост. Используя активирующий химический раствор, золотое семя росло и расширялось, заполняя всё имеющееся пространство внутри ДНК-каркаса, в результате чего получалась кубоидная наночастица с такими же размерами, как и у её формы, причём длину, ширину и высоту частицы можно было контролировать независимо.

Затем исследователи изготовили различные 3D-многоугольные формы, сферы и более амбициозные структуры, такие как Y-образная 3D-наночастица и другая структура, состоящая из кубоидной формы, зажатой между двумя сферами, доказав, что структурно разнообразные наночастицы можно формовать с помощью сложных конструкций ДНК-форм.

Учитывая их невообразимо малый размер, может показаться удивительным, что жёсткие ДНК-формы пропорционально довольно прочны и способны выдерживать давление расширяющихся неорганических материалов. Хотя команда выбрала золотые «семена» для отливки своих наночастиц, существует широкий спектр неорганических наночастиц, которые можно принудительно формовать с помощью этого процесса ДНК-наноотливки.

Очень полезное свойство заключается в том, что после отливки эти наночастицы могут сохранять каркас ДНК-формы в качестве внешнего покрытия, что позволяет проводить дополнительную модификацию поверхности с впечатляющей нанометровой точностью. Эти покрытия также могут помочь учёным разработать высокочувствительные мультиплексные методы обнаружения ранних стадий рака и генетических заболеваний, комбинируя химическую специфичность ДНК с сигнальным выходом металла. Для частиц, которым было бы лучше служить своей цели, будучи максимально электропроводными, например, в очень маленьких нанокомпьютерах и электронных схемах, покрытие ДНК-каркаса быстро и легко разрушается и удаляется для получения чистых металлических проводов и соединителей.

«Свойства ДНК, позволяющие ей самоassembлироваться и кодировать строительные блоки жизни, были использованы, перепрофилированы и переосмыслены для нанопроизводства неорганических материалов», — сказал Дон Ингбер, основатель Института Висса. «Эта возможность должна открыть совершенно новые стратегии для областей, начиная от миниатюризации компьютеров и заканчивая энергетикой и обнаружением патогенов».