Los científicos que buscan formas de diseñar el ensamblaje de partículas diminutas que miden apenas una milmillonésima parte de un metro han logrado una nueva primicia:la formación de una sola capa de nanopartículas en una superficie líquida donde las propiedades de la capa pueden cambiarse fácilmente. Comprender el ensamblaje de tales películas delgadas nanoestructuradas podría conducir al diseño de nuevos tipos de filtros o membranas con una respuesta mecánica variable para una amplia gama de aplicaciones. Además, porque los científicos utilizaron pequeñas hebras sintéticas de ADN para mantener unidas las nanopartículas, el estudio también ofrece información sobre el mecanismo de interacciones de nanopartículas y moléculas de ADN cerca de una membrana lipídica. Esta comprensión podría informar el uso emergente de nanopartículas como vehículos para la entrega de genes a través de las membranas celulares.

"Nuestro trabajo revela cómo las nanopartículas recubiertas de ADN interactúan y se reorganizan en una interfaz lipídica, y cómo ese proceso afecta las propiedades de una "película delgada" hecha de nanopartículas ligadas al ADN, ", dijo el físico Oleg Gang, quien dirigió el estudio en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Los resultados se publicarán el 11 de junio, 2014 edición impresa de la Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

Como la molécula que transporta información genética en los seres vivos, las hebras de ADN sintético utilizadas como "pegamento" para unir nanopartículas en este estudio tienen una tendencia natural a emparejarse cuando las bases que forman los peldaños de la molécula en forma de escalera retorcida coinciden de una manera particular. Los científicos de Brookhaven han hecho un gran uso de la especificidad de esta fuerza atractiva para obtener nanopartículas recubiertas con hebras de ADN sintético individuales para emparejarse y ensamblarse en una variedad de arquitecturas tridimensionales. El objetivo del presente estudio fue ver si el mismo enfoque podría usarse para lograr diseños de dos dimensiones, Películas de una partícula de espesor.

"Muchas de las aplicaciones que imaginamos para las nanopartículas, como revestimientos ópticos y dispositivos de almacenamiento fotovoltaicos y magnéticos, requieren geometría plana, "dijo Sunita Srivastava, investigador postdoctoral de la Universidad de Stony Brook y autor principal del artículo. Otros grupos de científicos han ensamblado tales planos de nanopartículas, esencialmente flotando sobre una superficie líquida, pero estas matrices de una sola capa han sido estáticas, Ella explicó. "El uso de moléculas enlazadoras de ADN nos da una forma de controlar las interacciones entre las nanopartículas".

Como se describe en el documento, los científicos demostraron su capacidad para lograr monocapas estructuradas de manera diferente, de una matriz similar a un fluido viscoso a una malla elástica reticulada de tejido más apretado, y cambie entre esos diferentes estados, variando la fuerza del emparejamiento entre las hebras de ADN complementarias y ajustando otras variables, incluyendo la carga electrostática en la superficie de montaje del líquido y la concentración de sal.

Cuando la superficie que usaron, un lípido, tiene una carga positiva fuerte que atrae las hebras de ADN cargadas negativamente que recubren las nanopartículas. Esa atracción electrostática y la repulsión entre las moléculas de ADN cargadas negativamente que rodean las nanopartículas adyacentes dominan la fuerza de atracción entre las bases de ADN complementarias. Como resultado, las partículas forman una monocapa viscosa de flotación libre bastante suelta. Agregar sal cambia las interacciones y supera la repulsión entre hebras de ADN con carga similar, permitiendo que los pares de bases coincidan y unan las nanopartículas más estrechamente, primero formando matrices en forma de cadena, y con mas sal, una capa similar a una malla más sólida pero elástica.

"El mecanismo de esta transición de fase no es obvio, ", dijo Gang." No se puede entender solo a partir de las interacciones de repulsión-atracción. Con la ayuda de la teoría, revelamos que existen efectos colectivos de las cadenas de ADN flexibles que impulsan el sistema en los estados particulares. Y solo es posible cuando el tamaño de las partículas y el tamaño de la cadena de ADN son comparables, del orden de 20 a 50 nanómetros, " él dijo.

Como parte del estudio, Los científicos examinaron las diferentes configuraciones de las nanopartículas en la parte superior de la capa líquida utilizando dispersión de rayos X en la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón de Brookhaven (NSLS). También transfirieron la monocapa producida en cada concentración de sal a una superficie sólida para poder visualizarla usando microscopía electrónica en el CFN.

"Crear estas monocapas de partículas en una interfaz líquida es muy conveniente y eficaz porque la estructura bidimensional de las partículas es muy 'fluida' y se puede manipular fácilmente, a diferencia de un sustrato sólido, donde las partículas pueden pegarse fácilmente a la superficie, "Dijo Gang." Pero en algunas aplicaciones, es posible que necesitemos transferir la capa ensamblada a una superficie tan sólida. Al combinar la dispersión de sincrotrón y las imágenes de microscopía electrónica, pudimos confirmar que la transferencia se puede realizar con una interrupción mínima de la monocapa ".

La naturaleza intercambiable de las monocapas puede resultar particularmente atractiva para aplicaciones como membranas utilizadas para purificación y separaciones, o para controlar el transporte de objetos moleculares o nanoescalares a través de interfaces líquidas. Por ejemplo, dijo Gang, cuando las partículas están vinculadas pero se mueven libremente en la interfaz, pueden permitir que un objeto, una molécula, pase a través de la interfaz. "Sin embargo, cuando inducimos enlaces entre partículas para formar una red en forma de malla, cualquier objeto más grande que el tamaño de la malla de la red no puede penetrar a través de esta película tan delgada. "

"En principio, Incluso podemos pensar en tales redes reguladas bajo demanda para ajustar el tamaño de la malla de forma dinámica. Porque, del régimen de tamaño a nanoescala, podríamos imaginar el uso de tales membranas para filtrar proteínas u otras nanopartículas, " él dijo.

Comprender cómo las nanopartículas recubiertas de ADN sintético interactúan con una superficie lipídica también puede ofrecer información sobre cómo esas partículas recubiertas con genes reales podrían interactuar con las membranas celulares, que están compuestas principalmente de lípidos, y entre sí en un entorno lipídico.

"Otros grupos han considerado el uso de nanopartículas recubiertas de ADN para detectar genes dentro de las células, o incluso para entregar genes a las células para terapia génica y tales enfoques, ", dijo Gang." Nuestro estudio es el primero de su tipo en observar los aspectos estructurales de la interfaz ADN-partícula / lípido directamente utilizando la dispersión de rayos X. Creo que este enfoque tiene un valor significativo como plataforma para investigaciones más detalladas de sistemas realistas importantes para estas nuevas aplicaciones biomédicas de emparejamientos de ADN-nanopartículas, "Dijo Gang.