Los científicos construyeron octaedros utilizando estructuras en forma de cuerdas hechas de haces de moléculas de ADN de doble hélice para formar los marcos (a). Se pueden usar hebras simples de ADN adheridas a los vértices (numeradas en rojo) para unir nanopartículas recubiertas con hebras complementarias. Este enfoque puede producir una variedad de estructuras, incluidos los que tienen el mismo tipo de partícula en cada vértice (b), arreglos con partículas colocadas solo en ciertos vértices (c), y estructuras con diferentes partículas colocadas estratégicamente en diferentes vértices (d). Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
En un nuevo giro en el uso de ADN en la construcción a nanoescala, Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y sus colaboradores pusieron a trabajar hebras sintéticas del material biológico de dos maneras:utilizaron configuraciones en forma de cuerda de la doble hélice del ADN para formar un marco geométrico rígido, y se agregaron trozos colgantes de ADN monocatenario para pegar las nanopartículas en su lugar.
El método, descrito en la revista Nanotecnología de la naturaleza , produjo grupos y matrices predecibles de nanopartículas, un paso importante hacia el diseño de materiales con estructuras y funciones personalizadas para aplicaciones en energía, óptica, y medicina.
"Estas matrices de nanopartículas con configuraciones geométricas predecibles son algo análogas a las moléculas hechas de átomos, "dijo el físico de Brookhaven Oleg Gang, quien dirigió el proyecto en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) del Laboratorio, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. "Si bien los átomos forman moléculas según la naturaleza de sus enlaces químicos, No ha habido una manera fácil de imponer un esquema de unión espacial tan específico a las nanopartículas. Este es exactamente el problema que aborda nuestro método ".
Usando el nuevo método, los científicos dicen que potencialmente pueden orquestar los arreglos de diferentes tipos de nanopartículas para aprovechar los efectos colectivos o sinérgicos. Los ejemplos podrían incluir materiales que regulan el flujo de energía, girar la luz, o entregar biomoléculas.
"Es posible que podamos diseñar materiales que imiten la maquinaria de la naturaleza para recolectar energía solar, o manipular la luz para aplicaciones de telecomunicaciones, o diseñar nuevos catalizadores para acelerar una variedad de reacciones químicas, "Dijo Gang.
Los científicos demostraron la técnica para diseñar arquitecturas de nanopartículas utilizando un andamio octaédrico con partículas colocadas en ubicaciones precisas en el andamio de acuerdo con la especificidad de la codificación del ADN. Los diseños incluían dos arreglos diferentes del mismo conjunto de partículas, donde cada configuración tenía diferentes características ópticas. También utilizaron los grupos geométricos como bloques de construcción para matrices más grandes, incluyendo cadenas lineales y hojas planas bidimensionales.
"Nuestro trabajo demuestra la versatilidad de este enfoque y abre numerosas oportunidades interesantes para el ensamblaje de precisión de alto rendimiento de bloques de construcción 3D personalizados en los que se pueden integrar múltiples nanopartículas de diferentes estructuras y funciones, "dijo el científico de CFN Ye Tian, uno de los autores principales del artículo.
Detalles de montaje
Una imagen combinada de microscopía crioelectrónica de un marco octaédrico con una nanopartícula de oro unida a cada uno de los seis vértices, se muestra desde tres ángulos diferentes. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Este enfoque de construcción a nanoescala aprovecha dos características clave de la molécula de ADN:la forma de doble hélice de escalera retorcida, y la tendencia natural de las hebras con bases complementarias (la A, T, GRAMO, y letras C del código genético) para emparejar de forma precisa.
Primero, los científicos crearon haces de seis moléculas de doble hélice, luego junte cuatro de estos paquetes para hacer un establo, material de construcción algo rígido, similar a la forma en que se tejen las hebras fibrosas individuales para formar una cuerda muy resistente. Luego, los científicos usaron estas vigas en forma de cuerdas para formar el marco de octaedros tridimensionales, "engrapar" las cadenas lineales de ADN junto con cientos de cadenas cortas de ADN complementarias.
"Nos referimos a estos como octaedros de origami de ADN, "Dijo Gang.
Para que sea posible "pegar" nanopartículas a los marcos 3D, los científicos diseñaron cada uno de los paquetes originales de seis hélices para que tuvieran una hélice con una pieza adicional de ADN de una sola hebra que sobresaliera de ambos extremos. Cuando se ensambla en los octaedros 3D, cada vértice del marco tenía algunas de estas ataduras de "extremos pegajosos" disponibles para unirse con objetos recubiertos con hebras de ADN complementarias.
"Cuando las nanopartículas recubiertas con ataduras de una sola hebra se mezclan con los octaedros de origami de ADN, las piezas "libres" de ADN se encuentran entre sí de modo que las bases pueden emparejarse de acuerdo con las reglas del código de complementariedad del ADN. Thus the specifically DNA-encoded particles can find their correspondingly designed place on the octahedron vertices" Gang said.
The scientists can change what binds to each vertex by changing the DNA sequences encoded on the tethers. En un experimento, they encoded the same sequence on all the octahedron's tethers, and attached strands with a complementary sequence to gold nanoparticles. The result:One gold nanoparticle attached to each of octahedron's six vertices.
By strategically placing tethers on particular vertices, the scientists used the octahedrons to link nanoparticles into one-dimensional chainlike arrays (left) and two-dimensional square sheets (right). Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
In additional experiments the scientists changed the sequence of some vertices and used complementary strands on different kinds of particles, illustrating that they could direct the assembly and arrangement of the particles in a very precise way. In one case they made two different arrangements of the same three pairs of particles of different sizes, producing products with different optical properties. They were even able to use DNA tethers on selected vertices to link octahedrons end to end, forming chains, and in 2D arrays, forming sheets.
Visualization of arrays
Confirming the particle arrangements and structures was a major challenge because the nanoparticles and the DNA molecules making up the frames have very different densities. Certain microscopy techniques would reveal only the particles, while others would distort the 3D structures.
To see both the particles and origami frames, the scientists used cryo-electron microscopy (cryo-EM), led by Brookhaven Lab and Stony Brook University biologist Huilin Li, an expert in this technique, and Tong Wang, the paper's other lead co-author, who works in Brookhaven's Biosciences department with Li. They had to subtract information from the images to "see" the different density components separately, then combine the information using single particle 3D reconstruction and tomography to produce the final images.
"Cryo-EM preserves samples in their near-native states and provides close to nanometer resolution, " Wang said. "We show that cryo-EM can be successfully applied to probe the 3D structure of DNA-nanoparticle clusters."
These images confirm that this approach to direct the placement of nanoparticles on DNA-encoded vertices of molecular frames could be a successful strategy for fabricating novel nanomaterials.
