Ilustración esquemática de la estrategia experimental:los haces de ADN bicatenario (gris) forman jaulas tetraédricas. Las hebras de ADN monocatenarias en los bordes (verde) y los vértices (rojo) coinciden con las hebras complementarias de las nanopartículas de oro. Esto da como resultado que una sola partícula de oro quede atrapada dentro de cada jaula tetraédrica, y las jaulas unidas por nanopartículas de oro atadas en cada vértice. El resultado es una red de nanopartículas cristalinas que imita el orden de largo alcance del diamante cristalino. Las imágenes debajo del esquema son (de izquierda a derecha):un mapa de densidad crio-EM reconstruido del tetraedro, una partícula enjaulada que se muestra en una imagen TEM con tinción negativa, y una superrejilla de diamantes mostrada a gran aumento con crio-STEM. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Usando hebras agrupadas de ADN para construir jaulas tetraédricas tipo Tinkertoy, Los científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. han ideado una forma de atrapar y organizar las nanopartículas de una manera que imita la estructura cristalina del diamante. El logro de este complejo pero elegante arreglo, como se describe en un artículo publicado el 5 de febrero, 2016, en Ciencias , puede abrir un camino a nuevos materiales que aprovechen las propiedades ópticas y mecánicas de esta estructura cristalina para aplicaciones como transistores ópticos, materiales que cambian de color, y materiales ligeros pero resistentes.
"Resolvimos un desafío de 25 años en la construcción de celosías de diamantes de una manera racional mediante el autoensamblaje, "dijo Oleg Gang, un físico que dirigió esta investigación en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) en Brookhaven Lab en colaboración con científicos de la Universidad de Stony Brook, Universidad Wesleyana, y la Universidad de Nagoya en Japón.
Los científicos emplearon una técnica desarrollada por Gang que utiliza ADN fabricado como material de construcción para organizar nanopartículas en arreglos espaciales 3D. Usaron haces de ADN de doble hélice parecidos a cuerdas para crear marcos tridimensionales, y se agregaron trozos colgantes de ADN de una sola hebra para unir partículas recubiertas con hebras de ADN complementarias.
"Estamos utilizando construcciones de ADN con formas precisas hechas como un andamio y ataduras de ADN de una sola hebra como un pegamento programable que empareja las partículas de acuerdo con el mecanismo de emparejamiento del código genético:A se une con T, G se une con C, "dijo Wenyan Liu del CFN, el autor principal del artículo. "Estas construcciones moleculares son componentes básicos para la creación de redes cristalinas hechas de nanopartículas".
La dificultad del diamante
Como explicó Liu, "La construcción de superredes de diamantes a partir de partículas de nano y microescala mediante el autoensamblaje ha demostrado ser muy difícil. Desafía nuestra capacidad para manipular la materia a pequeña escala".
Las razones de esta dificultad incluyen características estructurales como una fracción de empaquetamiento baja, lo que significa que en una celosía de diamante, en contraste con muchas otras estructuras cristalinas, las partículas ocupan solo una pequeña parte del volumen de la red y una fuerte sensibilidad a la forma en que se orientan los enlaces entre las partículas. "Todo debe encajar de tal manera sin ningún cambio o rotación de las posiciones de las partículas, "Dijo Gang." Dado que la estructura del diamante es muy abierta, muchas cosas pueden salir mal que conduce al desorden ".
"Incluso construir esas estructuras una por una sería un desafío, "Agregó Liu, "y necesitábamos hacerlo mediante el autoensamblaje porque no hay forma de manipular miles de millones de nanopartículas una por una".
El éxito anterior de Gang al utilizar ADN para construir una amplia gama de matrices de nanopartículas sugirió que un enfoque basado en el ADN podría funcionar en este caso.
Los científicos del Brookhaven Lab Center for Functional Nanomaterials (CFN) Kevin Yager, Huolin Xin, Wenyan Liu (sentado), Alex Tkachenko (atrás), y Oleg Gang están con una muestra de superredes de nanopartículas de oro unidas mediante el uso de ADN fabricado como material de construcción. La pantalla de la computadora muestra las redes cristalinas de FCC simple (izquierda) y de diamante (derecha) resultantes formadas por las nanopartículas, según lo revelado por microscopía electrónica de transmisión de barrido criogénico en el CFN. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Montaje de guías de ADN
El equipo utilizó por primera vez los paquetes de ADN en forma de cuerdas para construir "jaulas" tetraédricas, un objeto 3D con cuatro caras triangulares. Agregaron ataduras de ADN de una sola hebra apuntando hacia el interior de las jaulas usando T, GRAMO, C, Secuencias que coincidían con ataduras complementarias unidas a nanopartículas de oro. Cuando se mezcla en solución, las ataduras complementarias se emparejaron para "atrapar" una nanopartícula de oro dentro de cada jaula de tetraedro.
La disposición de las nanopartículas de oro fuera de las jaulas fue guiada por un conjunto diferente de ataduras de ADN adheridas a los vértices de los tetraedros. Cada conjunto de vértices unido con ataduras de ADN complementarias unidas a un segundo conjunto de nanopartículas de oro.
Cuando está mezclado y recocido, las matrices tetraédricas formaron superredes con un orden de largo alcance donde las posiciones de las nanopartículas de oro imitan la disposición de los átomos de carbono en una red de diamante, pero a una escala unas 100 veces mayor.
"Aunque este escenario de asamblea puede parecer irremediablemente libre, demostramos experimentalmente que nuestro enfoque conduce a la red de diamantes deseada, racionalizar drásticamente el montaje de una estructura tan compleja, "Dijo Gang.
La prueba está en las imágenes. Los científicos utilizaron microscopía electrónica de transmisión criogénica (crio-TEM) para verificar la formación de marcos tetraédricos mediante la reconstrucción de su forma 3D a partir de múltiples imágenes. Luego usaron dispersión de rayos X de ángulo pequeño in situ (SAXS) en la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón (NSLS), y microscopía electrónica de transmisión de barrido criogénico (crio-STEM) en el CFN, para obtener imágenes de las matrices de nanopartículas en la red completamente construida.
"Nuestro enfoque se basa en la autoorganización de los vértices romos de forma triangular de los tetraedros (las llamadas 'huellas') en partículas esféricas isotrópicas. Esas huellas triangulares se unen a partículas esféricas recubiertas con ADN complementario, lo que permite que las partículas coordinen su disposición en el espacio entre sí. Sin embargo, las huellas pueden organizarse en una variedad de patrones en una esfera. Resulta que una ubicación en particular es más favorable, y corresponde a la ubicación única en 3D de partículas que bloquea el entramado de diamantes, "Dijo Gang.
El equipo apoyó su interpretación de los resultados experimentales utilizando un modelo teórico que proporcionó información sobre los principales factores que impulsan la formación exitosa de las celosías de diamantes.
Implicaciones brillantes
"Este trabajo trae a la nanoescala la complejidad cristalográfica vista en los sistemas atómicos, "dijo Gang, quien señaló que el método se puede expandir fácilmente para organizar partículas de diferentes composiciones de materiales. El grupo ha demostrado previamente que los métodos de ensamblaje de ADN se pueden aplicar a ópticas, magnético, y nanopartículas catalíticas también, y probablemente producirá los nuevos materiales ópticos y mecánicos tan buscados que los científicos han imaginado.
"Hemos demostrado un nuevo paradigma para crear estructuras complejas ordenadas en 3D a través del autoensamblaje. Si puede construir este entramado desafiante, el pensamiento es que puede construir potencialmente una variedad de celosías deseadas, " él dijo.
