Las propiedades de emparejamiento de bases del ADN se utilizaron para construir estructuras diminutas que acumularon un esqueleto externo de sílice similar a los organismos constructores de caparazones conocidos como diatomeas. Crédito:Yan Lab.
Las diatomeas son pequeñas criaturas unicelulares, habitando océanos, lagos ríos y suelos. A través de su respiración producen cerca de una cuarta parte del oxígeno de la tierra, casi tanto como los bosques tropicales del mundo. Además de su éxito ecológico en todo el planeta, tienen varias propiedades notables. Las diatomeas viven en hogares cristalinos de su propio diseño, visible bajo aumento en una asombrosa y estéticamente hermosa gama de formas.
Los investigadores se han inspirado en estos microscópicos, productos naturales como joyas desde su descubrimiento a finales del siglo XVIII. En un nuevo estudio, Científicos de la Universidad Estatal de Arizona (ASU) dirigidos por el profesor Hao Yan, en colaboración con investigadores del Instituto de Física Aplicada de Shanghai de la Academia de Ciencias de China y la Universidad Jiaotong de Shanghai dirigido por el Prof. Chunhai Fan, han diseñado una gama de nanoestructuras similares a las diatomeas.
Lograr esto, toman prestadas las técnicas utilizadas por las diatomeas naturales para depositar capas de sílice, el componente principal del vidrio, con el fin de hacer crecer sus intrincadas conchas. Usando una técnica conocida como origami de ADN, el grupo diseñó plataformas a nanoescala de varias formas a las que se les colocaron partículas de sílice, dibujado por carga eléctrica, podría pegarse.
La nueva investigación demuestra que la deposición de sílice se puede aplicar eficazmente a sintéticos, Arquitecturas basadas en ADN, mejorando su elasticidad y durabilidad. En última instancia, el trabajo podría tener aplicaciones de gran alcance en nuevos sistemas ópticos, nanolitografía de semiconductores, nanoelectrónica, nano-robótica y aplicaciones médicas, incluida la administración de fármacos.
Yan es Profesor Distinguido Milton D. Glick de Química y Bioquímica y dirige el Centro de Biodesign para Diseño Molecular y Biomimética. Los hallazgos del grupo se informan en la versión avanzada en línea de la revista. Naturaleza .
Investigadores como Yan y Fan crean nanoarquitecturas sofisticadas en 2 y 3 dimensiones, utilizando el ADN como material de construcción. El método, conocido como origami de ADN, se basa en las propiedades de emparejamiento de bases de los cuatro nucleótidos del ADN, cuyos nombres se abrevian A, T, C y G.
La estructura en forma de escalera de la doble hélice del ADN se forma cuando las cadenas complementarias de nucleótidos se unen entre sí:los nucleótidos C siempre se emparejan con Gs y los A siempre se emparejan con Ts. Este comportamiento predecible se puede explotar para producir una variedad virtualmente ilimitada de formas diseñadas, que se puede diseñar de antemano. Las nanoestructuras luego se autoensamblan en un tubo de ensayo.
Una selección de nanoestructuras construidas con origami de ADN, junto con las diatomeas naturales, organismos unicelulares que se presentan en muchas formas hermosas y elaboradas. Son habitantes omnipresentes de los lagos del mundo, ríos y océanos. Una escala muestra los tamaños de las nanoestructuras y diatomeas. Crédito:Shireen Dooling
En el nuevo estudio, Los investigadores querían ver si las arquitecturas diseñadas con ADN, cada uno mide solo mil millonésimas de metro de diámetro, podrían usarse como armazones estructurales sobre los cuales podrían crecer exoesqueletos similares a diatomeas compuestos de sílice de una manera precisa y controlable. Sus exitosos resultados muestran el poder de este matrimonio híbrido de naturaleza y nanoingeniería, que los autores denominan Silicificación de Origami de ADN (DOS).
"Aquí, Demostramos que se puede desarrollar la química adecuada para producir materiales híbridos de ADN y sílice que replican fielmente la información geométrica compleja de una amplia gama de diferentes andamios de origami de ADN. Nuestros hallazgos establecieron un método general para crear nanoestructuras biomiméticas de sílice, "dijo Yan.
Entre los marcos geométricos de ADN diseñados y construidos en los experimentos se encuentran cruces 2-D, cuadrícula, triángulos y formas de panal de diatomeas DOS, así como cubos 3-D, tetraedros, hemisferios, formas toroidales y elipsoides, ocurriendo como unidades individuales o celosías.
Una vez que se completaron los marcos de ADN, Los grupos de partículas de sílice que llevan una carga positiva se dibujaron electrostáticamente en las superficies de las formas de ADN eléctricamente negativas, acumulando durante un período de varios días, como pintura fina aplicada a la cáscara de un huevo. Se hicieron una serie de micrografías electrónicas de transmisión y barrido de las formas DOS resultantes, revelando una silicificación similar a la diatomea precisa y eficiente.
El método demostró ser efectivo para la silicificación de marcos, nanoestructuras curvas y porosas que varían en tamaño de 10 a 1000 nanómetros, (las estructuras más grandes tienen aproximadamente el tamaño de una bacteria). El control preciso sobre el espesor de la cáscara de sílice se logra simplemente regulando la duración del crecimiento.
Las nanoestructuras híbridas DOS-diatomeas se caracterizaron inicialmente utilizando un par de poderosas herramientas capaces de revelar sus diminutas formas. Microscopía electrónica de transmisión (TEM) y microscopía de fuerza atómica (AFM). Las imágenes resultantes revelan contornos mucho más claros para las nanoestructuras después de la deposición de sílice.
El método de nanofabricación es tan preciso, los investigadores pudieron producir triángulos, cuadrados y hexágonos con poros uniformes que miden menos de 10 nm de diámetro, con mucho el más pequeño logrado hasta la fecha, utilizando litografía de origami de ADN. Más lejos, La técnica descrita en el nuevo estudio proporciona a los investigadores un control más preciso sobre la construcción de nanoestructuras tridimensionales en formas arbitrarias que a menudo son difíciles de producir a través de los métodos existentes.
Cubo 3D hecho con Silicificación de ADN Origami (DOS), que deposita una fina capa de sílice en el marco de origami de ADN. Crédito:Yan Lab
Una propiedad de las diatomeas naturales de gran interés para los nanoingenieros como Yan y Fan es la resistencia específica de sus capas de sílice. La resistencia específica se refiere a la resistencia de un material a la rotura en relación con su densidad. Los científicos han descubierto que las arquitecturas de sílice de las diatomeas no solo son inspiradoras y elegantes, sino también excepcionalmente resistentes. En efecto, the silica exoskeletons enveloping diatoms have the highest specific strength of any biologically produced material, including bone, antlers, and teeth.
En el estudio actual, researchers used AFM to measure the resistance to breakage of their silica-augmented DNA nanostructures. Like their natural counterparts, these forms showed far greater strength and resilience, displaying a 10-fold increase in the forces they could withstand, compared with the unsilicated designs, while nevertheless retaining considerable flexibility.
The study also shows that the enhanced rigidity of DOS nanostructures increases with their growth time. As the authors note, these results are in agreement with the characteristic mechanical properties of biominerals produced by nature, coupling impressive durability with flexibility.
A final experiment involved the design of a new 3-D tetrahedral nanostructure using gold nanorods as supportive struts for a DOS fabricated device. This novel structure was able to faithfully retain its shape compared with a similar structure lacking silication that deformed and collapsed.
The research opens a pathway for nature-inspired innovations in nanotechnology in which DNA architectures act as templates that may be coated with silica or perhaps other inorganic materials, including calcium phosphate, carbonato de calcio, ferric oxide or other metal oxides, yielding unique properties.
"We are interested in developing methods to create higher order hybrid nanostructures. For example, multi-layered/multi-component hybrid materials may be achieved by a stepwise deposition of different materials to further expand the biomimetic diversity, " said Fan.
Such capabilities will open up new opportunities to engineer highly programmable solid-state nanopores with hierarchical features, new porous materials with designed structural periodicity, cavity and functionality, plasmonic and meta-materials. The bio-inspired and biomimetic approach demonstrated in this paper represents a general framework for use with inorganic device nanofabrication that has arbitrary 3-D shapes and functions and offers diverse potential applications in fields such as nano-electronics, nano-photonics, and nano-robotics.
