Исследователи из Института биоинженерии Висс Гарвардского университета представили новый метод формирования крошечных металлических 3D-наночастиц, используя ДНК как строительный материал.
Способность формировать неорганические наночастицы из материалов, таких как золото и серебро, в точно разработанных 3D-формах является значительным прорывом, у которого есть потенциал для продвижения лазерных технологий, микроскопии, солнечных батарей, электроники, экологического тестирования, диагностики заболеваний и так далее.
«Мы построили крошечные литейные заводы, выполненные из жесткой ДНК для изготовления металлических наночастиц в точных трехмерных формах, которые мы запланировали и спроектировали в цифровом виде», — сказал Пэн Инь, старший автор исследования, доцент системной биологии в Медицинской школе Гарварда.
Результаты команды Висса, описанные в статье «Неорганические структуры с ДНК-формами», были изданы сегодня в журнале «Наука». Работа была проделана в сотрудничестве с Лабораторией вычислительной биологии и биофизики Массачусетского технологического института во главе с Марком Бэйтом, старшим соавтором статьи.
«Результаты исследования описывают значительный шаг вперед в нанотехнологиях ДНК, а также в неорганическом синтезе наночастиц», — сказал Инь. Впервые общая стратегия воспроизводства неорганических наночастиц с определенной пользователем 3D-формой была достигнута при создании частицы с толщиной всего 25 нанометров и меньше (вплоть до 5 нанометров). Листок бумаги приблизительно 100,000 нанометров толщиной.
Используя программное обеспечение, исследователи проектируют трехмерные «платформы» желаемого размера, построенные из линейных последовательностей ДНК, которые связываются друг с другом.
«За эти годы ученые были очень успешны при создании сложных 3D-форм на основе ДНК, используя разнообразные стратегии», — сказал Вэй Сунь, ученый постдокторант в Лаборатории молекулярных систем Висса и ведущий автор статьи. Например, в 2012 году, команда Висса показала, как системы автоматизированного проектирования могут быть использованы для построения сотен различных самособирающихся объектов из одно-, двух- и трехмерных ДНК-наночастиц с идеальной точностью.
«Проблема состояла в том, чтобы применить этот вид 3D-геометрического контроля к другим функционально важным материалам, таким как золото и серебро», — сказал Сунь.
Так же, как любой расширяющийся материал может принять определенную форму, команда Висса намеревается выращивать неорганические частицы в пределах ограниченных полых пространств жестких ДНК-наноструктур.
Понятие может быть уподоблено японскому методу выращивания арбузов в стеклянных кубах. Высаживая семена арбуза в стеклянные коробки, японские фермеры создают зрелые дыни кубической формы, которая подразумевает плотно упакованную отгрузку и хранение фруктов.
Исследователи Висс посадили миниатюрное золотое «семя» в полости тщательно разработанного куба и затем стимулировали его рост. Используя активирующее химическое соединение, золотое семя выросло и расширилось, заполнив все свободное пространство в пределах структуры ДНК, заполнив собой кубическую полость, с теми же самыми размерами как ее форма, с длиной, шириной и высотой частицы.
Затем исследователи изготовили различные многоугольные 3D-формы, сферы и другие структуры, такие как Y-образная 3D-наночастица и другая структура, включающая форму куба, зажатого между двумя сферами, доказав, что структурно разнообразные наночастицы могут быть сформированы, используя сложные формы ДНК.
Учитывая их невероятно небольшой размер, может стать неожиданностью, что жесткие формы ДНК довольно прочны и сильны.
«Свойства ДНК, которые позволяют ее самостоятельно собираться и кодировать стандартные блоки жизни, использовались для нанопроизводства неорганических материалов, — сказал Дон Ингбер, директор-основатель Института Висс. — Эта способность должна открыть совершенно новые стратегии областей в пределах от компьютерной миниатюризации энергии до патогенного обнаружения».