Las nanopartículas (bolas amarillas) cubiertas con ADN monocatenario corto (líneas onduladas azules) se mezclan con marcos de ADN poliédricos (de arriba a abajo):cubo, octaedro, bipirámide cuadrada alargada, prisma, y bipirámide triangular. Los vértices de los marcos están codificados con cadenas de ADN complementarias para la unión de nanopartículas. Cuando los marcos y partículas correspondientes se mezclan, forman un marco. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Un cubo, un octaedro, un prisma:se encuentran entre las estructuras poliédricas, o marcos, hecho de ADN que los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han diseñado para conectar nanopartículas en una variedad de redes tridimensionales (3D) estructuradas con precisión. Los científicos también desarrollaron un método para integrar nanopartículas y marcos de ADN en módulos de interconexión, expandiendo la diversidad de estructuras posibles.
Estos logros, descrito en artículos publicados en Materiales de la naturaleza y Química de la naturaleza , podría permitir el diseño racional de nanomateriales con ópticas mejoradas o combinadas, eléctrico, y propiedades magnéticas para lograr las funciones deseadas.
"Nuestro objetivo es crear nanoestructuras autoensambladas a partir de planos, "dijo el físico Oleg Gang, quien dirigió esta investigación en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven. "La estructura de nuestros conjuntos de nanopartículas está controlada principalmente por la forma y las propiedades de unión de los marcos de ADN diseñados con precisión, no por las propias nanopartículas. Al permitirnos diseñar diferentes celosías y arquitecturas sin tener que manipular las partículas, nuestro método abre grandes oportunidades para diseñar nanomateriales con propiedades que pueden mejorarse organizando con precisión los componentes funcionales. Por ejemplo, Podríamos crear materiales absorbentes de luz específicos que aprovechen la energía solar, o materiales magnéticos que aumentan la capacidad de almacenamiento de información ".
Marcos diseñados para estructuras deseadas
El equipo de Gang ha explotado previamente el emparejamiento de bases complementarias del ADN:la unión altamente específica de bases conocidas por las letras A, T, GRAMO, y C que forman los peldaños de la "escalera" de doble hélice del ADN, para unir las partículas de una manera precisa. Las partículas recubiertas con hebras simples de ADN se unen a partículas recubiertas con hebras complementarias (A se une a T y G se une a C) mientras que repelen las partículas recubiertas con hebras no complementarias.
También han diseñado marcos de ADN en 3D cuyas esquinas tienen ataduras de ADN de una sola hebra a las que se pueden unir nanopartículas recubiertas con hebras complementarias. Cuando los científicos mezclan estas nanopartículas y marcos, los componentes se autoensamblan en celosías que se definen principalmente por la forma del marco diseñado. El artículo de Nature Materials describe las estructuras más recientes logradas con esta estrategia.
"En nuestro enfoque, utilizamos marcos de ADN para promover las interacciones direccionales entre nanopartículas de modo que las partículas se conecten en configuraciones específicas que logren las matrices 3D deseadas, "dijo Ye Tian, autor principal del Materiales de la naturaleza papel y miembro del equipo de investigación de Gang. "La geometría de cada marco de enlace de partículas está directamente relacionada con el tipo de celosía, aunque todavía se está explorando la naturaleza exacta de esta relación ".
Hasta aquí, el equipo ha diseñado cinco formas de marcos poliédricos:un cubo, un octaedro, una bipirámide cuadrada alargada, un prisma, y una pirámide triangular, pero se podrían crear una variedad de otras formas.
"La idea es construir diferentes estructuras 3D (edificios) a partir de la misma nanopartícula (ladrillo), "dijo Gang." Por lo general, las partículas deben modificarse para producir las estructuras deseadas. Nuestro enfoque reduce significativamente la dependencia de la estructura de la naturaleza de la partícula, que puede ser oro, plata, planchar, o cualquier otro material inorgánico ".
Origami de ADN
Para diseñar los marcos, el equipo utilizó origami de ADN, una técnica de autoensamblaje en la que se mezclan hebras sintéticas cortas de ADN (hebras de grapas) con una hebra única más larga de ADN de origen biológico (hebra de andamio). Cuando los científicos calientan y enfrían esta mezcla, las hebras de grapas se unen selectivamente con o "grapan" la hebra del andamio, provocando que la hebra del andamio se doble repetidamente sobre sí misma. El software de computadora les ayuda a determinar las secuencias específicas para doblar el ADN en las formas deseadas.
El plegado del andamio de ADN monocatenario introduce puntos de anclaje que contienen extremos "pegajosos" libres (cadenas no aparejadas de bases de ADN) donde se pueden adherir nanopartículas recubiertas con ataduras monocatenarias complementarias. Estos extremos adhesivos se pueden colocar en cualquier lugar del marco de ADN, pero el equipo de Gang eligió las esquinas para poder conectar varios marcos.
Un diagrama esquemático (izquierda) que muestra cómo se incorpora una nanopartícula (bola amarilla) dentro de un marco de ADN en forma de cuadrado. Las hebras de ADN dentro del marco (líneas onduladas azules) son complementarias a las hebras de ADN en la nanopartícula; las hebras de colores en los bordes exteriores del marco tienen diferentes secuencias de ADN que determinan cómo se pueden conectar los módulos de nanopartículas con marcos de ADN. La arquitectura que se muestra (en el medio) es una representación simplista a nanoescala del Hombre de Vitruvio de Leonardo da Vinci, ensamblado a partir de varios tipos de módulos. Los científicos utilizaron microscopía de fuerza atómica para generar la imagen de gran aumento de este conjunto (derecha). Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Para cada forma de marco, el número de cadenas de ADN que unen una esquina del marco a una nanopartícula individual es equivalente al número de bordes que convergen en esa esquina. Los marcos de cubo y prisma tienen tres hilos en cada esquina, por ejemplo. Al hacer estas ataduras de esquina con diferentes números de bases, los científicos pueden ajustar la flexibilidad y la longitud de los vínculos partícula-marco.
Las distancias entre partículas están determinadas por las longitudes de los bordes del marco, que son decenas de nanómetros en los marcos diseñados hasta la fecha, pero los científicos dicen que debería ser posible adaptar los marcos para lograr las dimensiones deseadas.
Los científicos verificaron las estructuras del marco y los arreglos de las nanopartículas mediante microscopía crioelectrónica (un tipo de microscopía realizada a muy bajas temperaturas) en el CFN y el Departamento de Biología de Brookhaven. y dispersión de rayos X en la fuente de luz sincrotrón nacional II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven.
De ladrillos a legos
En el Química de la naturaleza papel, El equipo de Gang describió cómo utilizaron un enfoque similar basado en ADN para crear programas bidimensionales (2D), marcos de ADN en forma de cuadrados alrededor de nanopartículas individuales.
Las hebras de ADN dentro de los marcos proporcionan acoplamiento al ADN complementario en las nanopartículas, esencialmente sosteniendo la partícula dentro del marco. Cada lado exterior del marco se puede codificar individualmente con diferentes secuencias de ADN. Estas hebras de ADN externas guían el reconocimiento y la conexión marco-marco.
Gang compara estos módulos de nanopartículas con estructura de ADN con Legos cuyas interacciones están programadas:"Cada módulo puede contener un tipo diferente de nanopartícula y entrelazarse con otros módulos de formas diferentes pero específicas, totalmente determinado por el emparejamiento complementario de las bases de ADN en los lados del marco ".
(En el sentido de las agujas del reloj desde atrás a la izquierda) Yugang Zhang, Oleg Gang, Alexei Tkachenko, y Ye Tian en un laboratorio de microscopía crioelectrónica en el Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven. El equipo de investigación de Gang utilizó microscopía crioelectrónica para producir la imagen que se muestra en la pantalla:una superrejilla de nanopartículas ensambladas con los marcos de ADN que diseñó el equipo. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
En otras palabras, los marcos no solo determinan si las nanopartículas se conectarán, sino también cómo se conectarán. La programación de los lados del marco con secuencias de ADN específicas significa que solo los marcos con secuencias complementarias pueden unirse.
Mezclar diferentes tipos de módulos juntos puede producir una variedad de estructuras, similar a las construcciones que se pueden generar a partir de piezas de Lego. Al crear una biblioteca de los módulos, los científicos esperan poder ensamblar estructuras a pedido.
Ensamblaje predecible de nanomateriales multifuncionales
La selectividad de las conexiones permite combinar diferentes tipos y tamaños de nanopartículas en estructuras únicas.
La geometría de las conexiones, o cómo se orientan las partículas en el espacio, Es muy importante diseñar estructuras con las funciones deseadas. Por ejemplo, Las nanopartículas ópticamente activas pueden disponerse en una geometría particular para rotar, filtrar, absorber, y emitir luz:capacidades que son relevantes para aplicaciones de recolección de energía, como pantallas de visualización y paneles solares.
Al utilizar diferentes módulos de la "biblioteca, "El equipo de Gang demostró el autoensamblaje de matrices lineales unidimensionales, cadenas en "zigzag", racimos de forma cuadrada y en forma de cruz, y celosías cuadradas 2D. Los científicos incluso generaron un modelo a nanoescala simplista del Hombre de Vitruvio de Leonardo da Vinci.
"Queríamos demostrar que las arquitecturas de nanopartículas complejas se pueden autoensamblar utilizando nuestro enfoque, "dijo Gang.
De nuevo, Los científicos utilizaron técnicas de imagen sofisticadas, microscopía electrónica y de fuerza atómica en el CFN y dispersión de rayos X en NSLS-II, para verificar que sus estructuras fueran consistentes con los diseños prescritos y estudiar el proceso de ensamblaje en detalle.
"Aunque se requieren muchos estudios adicionales, Nuestros resultados muestran que estamos avanzando hacia nuestro objetivo de crear materia diseñada a través del autoensamblaje, incluyendo matrices de partículas periódicas y nanoarquitecturas complejas con formas libres, ", dijo Gang." Nuestro enfoque es emocionante porque es una nueva plataforma para la fabricación a nanoescala, uno que puede conducir a una variedad de materiales funcionales diseñados racionalmente ".
