ДНК-оригами подсвечивает микроскопическую светящуюся «Звёздную ночь» Ван Гога
Используя сложенную ДНК для точного размещения светящихся молекул внутри микроскопических оптических резонаторов, исследователи из Калтеха создали одну из самых маленьких в мире репродукций картины Винсента ван Гога «Звёздная ночь». Работа описана в статье, опубликованной 11 июля в онлайн-версии журнала Nature.
Это монохромное изображение размером с десятицентовик было пробным проектом, который впервые продемонстрировал, как прецизионное размещение ДНК-оригами можно использовать для создания чиповых устройств, таких как компьютерные схемы, в меньших масштабах, чем когда-либо прежде.
Технология «ДНК-пробковой доски»
ДНК-оригами, разработанная 10 лет назад Полом Ротемундом из Калтеха, позволяет складывать длинную нить ДНК в любую желаемую форму. Сложенная ДНК действует как каркас, на который можно прикреплять и организовывать наноразмерные компоненты: от флуоресцентных молекул до углеродных нанотрубок.
«Это похоже на пробковые доски для инструментов в гараже, только здесь доска собирается сама из нитей ДНК, и инструменты тоже сами находят свои позиции», — говорит Ротемунд.
Прецизионное размещение на поверхностях
В 2009 году Ротемунд и коллеги из IBM Research описали технику позиционирования ДНК-оригами в точных местах на поверхностях с помощью литографии. За последние семь лет эта техника была усовершенствована, и теперь ДНК-структуры можно точно размещать практически на любой поверхности, используемой при производстве компьютерных чипов.
«Вкручивание» молекулярных лампочек
В статье в Nature команда сообщает о первом применении этой техники — использовании ДНК-оригами для установки флуоресцентных молекул в микроскопические источники света.
«Это как использовать ДНК-оригами, чтобы вкрутить молекулярные лампочки в микроскопические светильники», — говорит Ротемунд.
Этими «светильниками» служат микроструктуры — фотонные кристаллические резонаторы (PCC), настроенные на резонанс с определённой длиной волны света. Ведущий автор исследования Ашвин Гопинат построил PCC, настроенные на резонанс около 660 нм (тёмно-красный цвет).
Ключевая роль точного позиционирования
Сила свечения молекулы внутри резонатора резко зависит от её точного положения.
«Разница в несколько десятков нанометров определяет, будет ли молекула ярко светиться или нет», — говорит Гопинат.
Перемещая ДНК-оригами внутри PCC с шагом в 20 нанометров, исследователи смогли составить карту «горячих» и «холодных» точек и создавать «лампы» разной интенсивности.
Создание микроскопического шедевра
Чтобы доказать надёжность технологии, команда масштабировала её. Создавая PCC с разным количеством сайтов связывания, Гопинат мог устанавливать от 0 до 7 структур ДНК-оригами, цифровым способом контролируя яркость каждой «лампы». Каждую такую лампу он использовал как пиксель с одной из восьми градаций интенсивности.
Из 65 536 таких пикселей (сетка 256 x 256) была создана репродукция «Звёздной ночи» Ван Гога.
Будущие шаги и применение
Сейчас флуоресцентные молекулы «перегорают» примерно через 45 секунд из-за реакции с кислородом и излучают несколько оттенков красного. Решение этих проблем важно для таких приложений, как квантовые компьютеры.
«Помимо приложений, здесь есть много возможностей для фундаментальной науки», — говорит Гопинат.