Figura 1 . Formación espontánea de nanocables de ADN alineados. ( A ) Ilustraciones esquemáticas de la formación espontánea de una matriz de nanocables de ADN por el plegamiento de la piel inducido por filamentos de agua que contienen moléculas de ADN. ( B ) Imágenes secuenciales de microscopio óptico de una gota de solución de ADN que se extiende sobre las arrugas (t =5 min, ε ≈ −0,03); la transición de arrugas a pliegues ocurre en el límite y se propaga con el borde de la gota. ( C ) Imagen AFM de una matriz de nanocables de ADN que se extiende desde el límite (t =2 min, ε ≈ −0,02). Los perfiles de línea para cada región se muestran junto a la imagen. (Barras de escala: B , 50 μm y C , 4 μm.). Crédito:Nagashimaa S, Haa HD, Kima DH, Košmrljb A, Piedra HA, Moon M-W (2017) Formación espontánea de nanocables de ADN alineados por plegamiento de la piel inducido por capilaridad. Proc Natl Acad Sci EE. UU. 114:24 6233-6237.
(Phys.org) - Los nanocables formados a partir de ADN (ácido desoxirribonucleico), uno de los varios tipos de nanocables moleculares que incorporan unidades moleculares repetidas, son exactamente eso:nanoestructuras geométricas de tipo alambre basadas en ADN definidas de diversas maneras como de 1 ~ 10 nm (10 −9 m) diámetro o una relación longitud-diámetro> 1000. Si bien los nanocables pueden estar hechos de varios materiales orgánicos e inorgánicos, Se ha demostrado que los nanocables de ADN proporcionan una amplia gama de aplicaciones valiosas en el autoensamblaje programado 1, 2 de materiales funcionales, incluidos nanocables metálicos y semiconductores para su uso en dispositivos electrónicos, así como biológicos, médico, y aplicaciones de análisis genético 3, 4, 5 . Habiendo dicho eso, La adopción de nanocables de ADN ha sido limitada debido a limitaciones históricas en la capacidad de controlar sus parámetros estructurales, específicamente, Talla, geometría y alineación. Recientemente, sin embargo, Científicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea y de la Universidad de Princeton aprovecharon las fuerzas capilares del agua que contiene moléculas de ADN para demostrar nanocables de ADN alineados, rectos u ondulados, de tamaño controlable, que se formaron espontáneamente por la entrada de agua en los canales arrugados de una piel delgada comprimida sobre un sustrato blando. que posteriormente indujo una transición de arrugas a pliegues.
Profesor asistente y autor principal So Nagashima, Profesor asistente Andrej Košmrlj, Donald R. Dixon '69 y Elizabeth W. Dixon Profesor Howard A. Stone, y el científico investigador principal Myoung-Woon Moon discutieron el artículo que ellos y sus coautores publicaron en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . "Creo que el aspecto más desafiante de diseñar nuestro método para utilizar una plantilla de piel delgada que responde al agua cambiando dinámicamente la morfología de su superficie fue encontrar las condiciones donde ocurre la transición de arrugas a pliegues, "La luna dice Phys.org . "Las condiciones críticas en función de la deformación aplicada, geometrías iniciales de arrugas, y el grosor de la capa de piel determinado por la duración del tratamiento con plasma de oxígeno fueron difíciles de encontrar ". Moon agrega que la técnica de observación para la transición dinámica se limitaba solo a microscopios ópticos cuya resolución óptica más alta se encuentra entre 100 y 1000 nm en el ancho de los nanocables, esto se debe a la transición dinámica que tiene lugar a escala submicrónica.
Cuando se induce una transición de arrugas a pliegues en la superficie de la plantilla mediante la explotación de las fuerzas capilares del agua que contiene moléculas de ADN, Stone señala, la observación de que el agua cambia la transición de arrugas a pliegues es nueva. "Hasta donde sabemos, el nuestro es el primer estudio que muestra este efecto, como está demostrando un uso de tales pliegues para la alineación del ADN. Es más, el control de la tensión superficial o las fuerzas capilares resultantes y el área de formación de pliegues es relativamente difícil, y al agregar moléculas de ADN al agua, parece que la tensión superficial ha cambiado, por lo que la longitud de la transición del pliegue fue más corta ".
La preparación de la plantilla utilizó un tratamiento con plasma de oxígeno de polidimetilsiloxano preestirado (o PDMS, un compuesto polimérico de organosilicio) sustratos para diferentes duraciones. "De hecho, "Moon explica, "La manipulación de PDMS con tensión previa al estiramiento es un método relativamente bien desarrollado al igual que el tratamiento con plasma de oxígeno:ambos han sido discutidos en la literatura. Podemos hacer las muestras con varios tamaños de unos pocos milímetros a unos pocos centímetros, que también se puede hacer en un área mucho más grande ". Moon señala que los investigadores también pueden variar las propiedades mecánicas del polidimetilsiloxano, para hacerlo más estirable, suave o flexible, cambiando la proporción de elastómero y reticulante para la preparación de PDMS.
Un aspecto clave del estudio fue confirmar que el nuevo método manipula de manera confiable el tamaño de los nanocables de ADN, geometría, y alineación. "Al ajustar las condiciones para la tensión de estiramiento, duración del tratamiento con plasma, y postcompresión del PDMS estirado, Los nanocables de ADN pueden ser de medio cilindro, un cilindro perfecto, o forma de alambre ondulado, "La luna dice Phys.org . "Al cambiar las geometrías de las arrugas, como la amplitud, que se rige por la deformación, se puede controlar la distancia entre los cables en el canal de plegado". Distancias más amplias entre cables, él continúa, se puede lograr comprimiendo menos el PDMS, mientras se comprime más el sustrato, se obtienen distancias más pequeñas.
Para abordar estos desafíos, los científicos descubrieron una transformación resultante de las fuerzas capilares que actúan en el borde de una gota de agua que puede, con solo 1% de compresión, transforma las arrugas en pliegues, que en ausencia de una gota de líquido se forma solo a una compresión muy alta (~ 30%). Además, Moon agrega, sustancias más pequeñas, como biomoléculas o nanopartículas, pueden seguir el canal de agua para formar nanoestructuras unidimensionales alineadas. "Cuanto más pequeño, mejor. Menos es más. Hemos descubierto que la transición de arrugas a pliegues se produce más fácilmente cuando los siguientes factores se reducen:nivel de compresión, espesor de la piel, volumen de la gota, tamaño de la superficie de la muestra, y ángulos de contacto estático de gotitas ".
Según sus hallazgos, los autores afirmaron que su enfoque podría conducir a nuevas formas de fabricar materiales funcionales. "Nuestro hallazgo clave es que se pueden convertir las arrugas en pliegues localizados simplemente explotando las fuerzas capilares del agua sobre superficies arrugadas bajo una tensión muy pequeña de aproximadamente el 1% en compresión, "Nagashima dice Phys.org . "Estudios recientes reportados en la literatura han demostrado que tales transiciones de arrugas a pliegues pueden ayudar a desarrollar sistemas que cambian dinámicamente sus propiedades de acuerdo con la morfología de la superficie. Sin embargo, inducir la transición en ausencia de agua es difícil de lograr en la práctica porque, en general, Es necesario aplicar una gran compresión al sistema piel-sustrato, lo que dificulta aplicaciones más amplias. Nuestro estudio revela que incluso el 1% de la compresión, que es el nivel crítico para crear arrugas en nuestro caso, es lo suficientemente grande como para desencadenar la transición a pliegues localmente cuando hay agua ". Nagashima señala que, si bien el nivel de compresión requerido para inducir la transición puede diferir según el sistema de película de piel utilizado, sólo sería necesario un pequeño nivel de compresión en combinación con agua.
Figura 2. Pliegue cutáneo inducido por capilaridad. ( A ) Imagen de microscopio óptico de una serie de arrugas y pliegues alrededor del límite de una gota de agua colocada sobre una superficie arrugada (t =20 min, ε ≈ −0,03). La flecha azul indica un filamento de agua. ( B ) Ilustraciones esquemáticas de la transición de arrugas a pliegues de la piel debido a las fuerzas de tensión superficial del agua. Las imágenes AFM representativas y los perfiles de línea se muestran debajo de las ilustraciones. ( C ) Ilustraciones esquemáticas e imágenes de microscopio óptico que muestran la evolución de los pliegues localizados al aumentar ε (t =10 min). Se colocó una gota de agua en la superficie antes de la compresión; la flecha azul y los triángulos rojos indican la formación de un filamento de agua y pliegues localizados, respectivamente. ( D y mi ) La distancia pico a pico de las arrugas (LW) y pliegues (LF) y la longitud (l) y el espaciado (s) de los pliegues en función de t. ( mi , Recuadro ) Ilustración esquemática que muestra la vista superior de una serie de pliegues en el límite. (F) LW y LF en función de | ε | (t =3 min). ( F , Recuadro ) Perfiles de línea de los pliegues para | ε | ≈ 0.02, 0,08, y 0,17. (Barras de escala: A , 10 µm; B , 5 µm; y C , 50 μm.). Crédito:Nagashimaa S, Haa HD, Kima DH, Košmrljb A, Piedra HA, Moon M-W (2017) Formación espontánea de nanocables de ADN alineados por plegamiento de la piel inducido por capilaridad. Proc Natl Acad Sci EE. UU. 114:24 6233-6237.
"Este fenómeno puede considerarse un método sin litografía que permite la fabricación fácil de matrices de nanomateriales, donde su tamaño, largo, y la periodicidad podría ajustarse de forma robusta, "continúa". Además, no sólo se podría utilizar agua, sino también otros líquidos para transportar nanomateriales e inducir la transición de arrugas a pliegues ".
Moon describe varios ejemplos de potencial de novo técnicas de fabricación y análisis, incluida la litografía a nanoescala, nanoimpresión, crecimiento por deposición de vapor químico, y reacción química. "Nuestro método se puede utilizar potencialmente para la fabricación de nanocables o nanoarrays unidimensionales para su aplicación al análisis de ADN con cantidades muy diluidas o pequeñas de ADN; plantillas de ADN como nuevas nanoestructuras metálicas o cerámicas; y dispositivos de tratamiento de ADN para curar ADN modificado. adición, se puede adoptar esta técnica para manipular proteínas, sangre, o nanopartículas a nanoescala ".
Košmrlj y Stone cuentan Phys.org que un área de la investigación planificada se centra en el análisis y el modelado no lineal para mejorar la comprensión cuantitativa de la transición de arrugas a pliegues inducida por capilaridad. "Dado que nuestro sistema se compone del comportamiento mecánico de la transición de pliegue desencadenada por la tensión superficial del líquido, la transición de arrugas a pliegues que hemos encontrado está asociada con grandes deformaciones donde la teoría de la elasticidad lineal convencional no se aplica. Si bien los mecanismos básicos se pueden explicar dentro de la teoría lineal, La comparación cuantitativa con experimentos solo puede lograrse teniendo en cuenta las no linealidades geométricas y materiales. Por lo tanto, estamos realizando simulaciones numéricas acoplando la tensión superficial del líquido y la deformación del sólido, además de realizar análisis con series de perturbaciones, donde se pueden estudiar sistemáticamente las no linealidades de las estructuras elásticas ".
"También creo que los desafíos que tenemos por delante son encontrar cómo lograr áreas más grandes para la formación de patrones de ADN, "Moon dice". De hecho, Nuestros últimos resultados, obtenidos después de que se aceptara este artículo de PNAS, muestran un progreso impresionante para la región con la transición de arrugas a pliegues en áreas más grandes. como toda el área debajo de una gota de agua. Otra área a estudiar, La luna continúa, se refiere al hecho de que la morfogénesis biológica de los sistemas piel-sustrato es ubicua en organismos donde el agua es un componente principal. "Estamos tratando de encontrar situaciones en las que nuestros hallazgos sean aplicables. Sería útil colaborar activamente con expertos en el campo".
Los investigadores también podrían investigar otros materiales además del PDMS. "Sí. Otros polímeros pueden funcionar si poseen los factores básicos para gobernar la transición del pliegue, estos son la delgadez de la nano-piel y los materiales blandos del cuerpo, e hidrofilicidad de la superficie para asegurar una reacción de superficie suficiente con el líquido, "Notas lunares.
Fig. 3. Nanocables de ADN sintonizables. ( A ) Imágenes de microscopio óptico de campo claro y oscuro de nanocables de ADN creados por la transición de arrugas a pliegues inducida por capilaridad. Después de la evaporación de la gota, la tensión se ajustó para ver la estructura dentro de los pliegues. ( B ) Imágenes de microscopio confocal de una matriz de nanocables de ADN que se extienden desde el límite hasta las ubicaciones indicadas por los triángulos amarillos. ( C ) Imágenes AFM de nanocables de ADN obtenidas mediante arrugas preparadas con varios ε (t =10 min). Después de que se formaron los pliegues, la deformación se ajustó a ε ≈ 0,00. Los perfiles de línea de los nanocables indicados por las líneas de puntos verdes se muestran en las imágenes. ( D ) Altura de los nanocables en función de t (ε ≈ −0.03). ( mi ) Cambios en la forma de un nanoalambre de ADN de recto a arrugado con un aumento de la tensión de tracción. ( F ) La longitud de onda (símbolos negros) y la amplitud (símbolos naranjas) de los nanocables de ADN arrugados en función de la tensión de tracción aplicada. ( GRAMO y H ) Los perfiles lineales del nanoalambre de ADN y la superficie de la piel antes y después de la aplicación de la tensión de tracción (es decir, ε ≈ −0.02 y 0.05, respectivamente). El color de los perfiles corresponde al de las líneas punteadas indicadas en las imágenes AFM mostradas en mi . (Barras de escala: A y B , 10 µm; C , 2 µm; y mi , 1 μm.). Crédito:Nagashimaa S, Haa HD, Kima DH, Košmrljb A, Piedra HA, Moon M-W (2017) Formación espontánea de nanocables de ADN alineados por plegamiento de la piel inducido por capilaridad. Proc Natl Acad Sci EE. UU. 114:24 6233-6237.
Otros posibles intereses de investigación futuros e innovaciones adicionales mencionadas por los autores incluyen:
- análisis teórico para dilucidar la física subyacente relacionada con el plegamiento de la superficie inducido por el agua
- explotar la física subyacente para desarrollar un método de fabricación robusto y en masa para inducir la transición de arrugas a pliegues
- encontrar y discutir cambios morfológicos en la naturaleza donde el agua es probablemente un factor clave
- aplicar los resultados del estudio actual al análisis de ADN o dispositivos de ADN para fármacos
- Sensores 2-D / 3-D, herramientas diagnosticas, y sistemas de liberación de fármacos
- plantillas para fabricar nanomateriales unidimensionales
- métodos de modelado local
"Creo que este trabajo es beneficioso para la ciencia de los materiales para las plantillas de nanocables, mecánica para canales fluídicos, y biología para el análisis cuantitativo de ADN u otras biomoléculas, Moon concluye.
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