Переключаемые наноструктуры на основе ДНК
Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США разработали новый способ использования синтетической ДНК для управления сборкой наночастиц. В результате были получены переключаемые трёхмерные структуры и небольшие кластеры, которые могут быть полезны, например, в качестве биосенсоров, в солнечных элементах и как новые материалы для хранения данных. Работа опубликована в Nature Nanotechnology 20 декабря 2009 года.
Команда под руководством физика Олега Ганга совершенствует методики использования цепочек искусственной ДНК в качестве высокоспецифичного аналога липучки или клея для соединения наночастиц. Такая самосборка на основе ДНК открывает перспективы для направленного дизайна новых материалов для применения в молекулярном разделении, электронике, преобразовании энергии и других областях. Однако до сих пор ни одна из таких структур не могла программируемо меняться в ответ на молекулярные стимулы.
Теперь ученые используют специальный тип ДНК-связующего устройства — своего рода «умный клей», — который влияет на то, как частицы соединяются, создавая структуры, переключаемые между разными конфигурациями. Это надежное обратимое переключение можно использовать для регулирования функциональных свойств, например, флуоресценции и переноса энергии, чтобы создавать материалы, чувствительные к изменяющимся условиям, или изменять их функции по требованию.
Такая отзывчивость на изменения окружающей среды и способность принимать новые формы — характерные черты живых систем. Таким образом, эти новые наноматериалы больше имитируют биологические системы, чем любые предыдущие наноструктуры. Хотя это далеко от какой-либо формы «искусственной жизни», такие материалы могут привести к созданию наноразмерных машин, которые на простом уровне имитируют клеточные процессы, например, преобразование солнечного света в полезную энергию или обнаружение других молекул.
Ученые достигли цели, создав структуры, в которых расстояние между наночастицами можно было точно контролировать с нанометровой точностью, поскольку многие физические характеристики наноматериалов, такие как оптические и магнитные свойства, сильно зависят от этого расстояния.
В предыдущих работах ученые использовали одноцепочечную ДНК, прикрепленную к отдельным наночастицам, в качестве линкерных молекул. В новом исследовании они добавили более сложные двухцепочечные ДНК-структуры. В отличие от одноцепочечных, которые сворачиваются непредсказуемо, эти двухцепочечные структуры более жесткие и лучше контролируют межчастичные расстояния.
Кроме того, некоторые цепи в двухцепочечных молекулах ДНК имеют сложные структуры, например, петли, которые сближают связанные частицы сильнее, чем при полностью параллельных цепях. Меняя тип ДНК-устройства (с петлями или без) и измеряя расстояния между частицами с помощью прецизионных методов в Национальном источнике синхротронного излучения (NSLS) и Центре функциональных наноматериалов (CFN) Брукхейвена, ученые показали, что могут эффективно контролировать расстояние между частицами и переключать систему из одного состояния в другое по желанию.
Этот подход позволил создать двухконфигурационные переключаемые системы как в димерах (двухчастичных кластерах), так и в нанокристаллах, с изменением расстояния примерно на 6 нанометров — около 25% от межчастичного расстояния. Сравнивая кинетику в двух системах, они обнаружили, что переключение между состояниями происходит быстрее в более простой двухчастичной системе. Димеры также точнее возвращаются в исходное состояние, чем 3D-кристаллы, что указывает на возможное влияние молекулярной «тесноты» в трёхмерных материалах.
Ученые надеются, что возможность индуцировать реорганизацию структур после сборки путем добавления ДНК или других молекул в качестве внешних стимулов, а также возможность наблюдать эти изменения с нанометровым разрешением, поможет понять эти процессы и найти способы их применения в новых видах наномашин, где функциональность системы определяется наночастицами и их взаимным расположением.
Будущие исследования будут использовать возможности точной визуализации, такие как передовые инструменты электронной микроскопии в CFN и методы рентгеновского анализа с более высоким разрешением, которые станут доступны на новом источнике синхротронного излучения Брукхейвена NSLS-II.