Usando ADN plegado para colocar con precisión moléculas brillantes dentro de resonadores de luz microscópicos, Los investigadores de Caltech han creado una de las reproducciones más pequeñas del mundo de La noche estrellada de Vincent van Gogh. La reproducción y la técnica utilizada para crearla se describen en un artículo publicado en la edición avanzada en línea de la revista. Naturaleza el 11 de julio.

La imagen monocromática, del ancho de una moneda de diez centavos de ancho, fue un proyecto de prueba de concepto que demostró, por primera vez, cómo la colocación de precisión del origami de ADN se puede utilizar para construir dispositivos basados ​​en chips, como circuitos de computadora, a escalas más pequeñas que nunca.

Origami de ADN, desarrollado hace 10 años por Paul Rothemund de Caltech (BS '94), es una técnica que permite a los investigadores doblar una hebra larga de ADN en cualquier forma deseada. El ADN plegado actúa como un andamio en el que los investigadores pueden unir y organizar todo tipo de componentes a escala nanométrica. desde moléculas fluorescentes hasta nanotubos de carbono conductores de electricidad y medicamentos.

"Piense en ello un poco como los tableros de clavijas que la gente usa para organizar las herramientas en sus garajes, solo en este caso, el tablero de clavijas se ensambla a partir de hebras de ADN y las herramientas también encuentran sus propias posiciones, "dice Rothemund, profesor investigador de bioingeniería, ciencias de la computación y matemáticas, y computación y sistemas neuronales. "Todo sucede en un tubo de ensayo sin intervención humana, lo cual es importante porque todas las partes son demasiado pequeñas para manipularlas de manera eficiente, y queremos fabricar miles de millones de dispositivos ".

El proceso tiene el potencial de influir en una variedad de aplicaciones, desde la administración de fármacos hasta la construcción de computadoras a nanoescala. Pero para muchas aplicaciones, organizar componentes a nanoescala para crear dispositivos en tableros de clavijas de ADN no es suficiente; los dispositivos deben estar conectados entre sí en circuitos más grandes y deben tener una forma de comunicarse con dispositivos de mayor escala.

Un enfoque temprano fue hacer electrodos primero, y luego esparcir los dispositivos al azar en una superficie, con la expectativa de que al menos unos pocos aterrizarían donde se deseaba, un método que Rothemund describe como "rociar y rezar".

En 2009, Rothemund y sus colegas de IBM Research describieron por primera vez una técnica mediante la cual el origami de ADN se puede colocar en ubicaciones precisas en superficies utilizando litografía de haz de electrones para grabar sitios de unión pegajosos que tienen la misma forma que el origami. Por ejemplo, parches adhesivos triangulares se unen al ADN plegado triangularmente.

Durante los últimos siete años, Rothemund y Ashwin Gopinath, becario postdoctoral senior en bioingeniería en Caltech, han perfeccionado y ampliado esta técnica para que las formas de ADN se puedan colocar con precisión en casi cualquier superficie utilizada en la fabricación de chips de computadora. En el Naturaleza papel, informan de la primera aplicación de la técnica, utilizando origami de ADN para instalar moléculas fluorescentes en fuentes de luz microscópicas.

"Es como usar origami de ADN para atornillar bombillas moleculares en lámparas microscópicas, "Dice Rothemund.

En este caso, las lámparas son estructuras microfabricadas llamadas cavidades de cristal fotónico (PCC), que están sintonizados para resonar en una determinada longitud de onda de luz, al igual que un diapasón vibra con un tono particular. Creado dentro de una fina membrana similar al vidrio, un PCC toma la forma de un defecto en forma de bacteria dentro de un panal de agujeros por lo demás perfecto.

"Dependiendo del tamaño exacto y el espaciado de los orificios, una determinada longitud de onda de luz se refleja en el borde de la cavidad y queda atrapada en el interior, "dice Gopinath, el autor principal del estudio. Construyó PCC que están sintonizados para resonar a alrededor de 660 nanómetros, la longitud de onda correspondiente a un tono profundo del color rojo. Las moléculas fluorescentes sintonizadas para brillar a una longitud de onda similar iluminan las lámparas, siempre que se adhieran exactamente al lugar correcto dentro del PCC.

"Una molécula fluorescente sintonizada con el mismo color que un PCC en realidad brilla más intensamente dentro de la cavidad, pero la fuerza de este efecto de acoplamiento depende en gran medida de la posición de la molécula dentro de la cavidad. Unas pocas decenas de nanómetros es la diferencia entre la molécula que brilla intensamente, o nada, "Dice Gopinath.

Al mover el origami de ADN a través de los PCC en pasos de 20 nanómetros, los investigadores encontraron que podían trazar un patrón de tablero de ajedrez de puntos calientes y fríos, donde las bombillas de luz molecular brillaban débil o fuertemente. Como resultado, pudieron usar origami de ADN para colocar moléculas fluorescentes para hacer lámparas de intensidad variable. Se han propuesto estructuras similares para alimentar computadoras cuánticas y para su uso en otras aplicaciones ópticas que requieren muchas fuentes de luz diminutas integradas en un solo chip.

"Todos los trabajos anteriores que acoplaron emisores de luz a PCC solo crearon con éxito un puñado de lámparas en funcionamiento, debido a la extraordinaria dificultad de controlar de forma reproducible el número y la posición de los emisores en una cavidad, ", Dice Gopinath. Para probar su nueva tecnología, los investigadores decidieron ampliar y proporcionar una demostración visualmente atractiva. Al crear PCC con diferentes números de sitios de unión, Gopinath pudo instalar de manera confiable cualquier número de origami de ADN de cero a siete, permitiéndole controlar digitalmente el brillo de cada lámpara. Trataba cada lámpara como un píxel con una de ocho intensidades diferentes, y produjo una matriz de 65, 536 de los píxeles del PCC (una cuadrícula de 256 x 256 píxeles) para crear una reproducción de "La noche estrellada" de Van Gogh.

Ahora que el equipo puede combinar moléculas con PCC de manera confiable, están trabajando para mejorar los emisores de luz. En la actualidad, las moléculas fluorescentes duran unos 45 segundos antes de reaccionar con el oxígeno y "quemarse, "y emiten algunos tonos de rojo en lugar de un solo color puro. Resolver ambos problemas ayudará con aplicaciones como las computadoras cuánticas.

"Aparte de las aplicaciones, hay mucha ciencia fundamental por hacer, "Dice Gopinath.