(Phys.org) – Forskare vid US Department of Energy's Brookhaven National Laboratory har upptäckt att DNA-"linker"-strängar förmår nanostora stavar att radas upp på ett sätt som inte liknar något annat spontant arrangemang av stavformade föremål. Arrangemanget - med stavarna som bildar "steg" på stegliknande band sammanlänkade av flera DNA-strängar - är resultatet av de kollektiva interaktionerna mellan de flexibla DNA-bindningarna och kan vara unika för nanoskalan. Forskningen, beskrivs i en tidning publicerad online i ACS Nano , en tidskrift från American Chemical Society, kan resultera i tillverkning av nya nanostrukturerade material med önskade egenskaper.

"Detta är en helt ny mekanism för självmontering som inte har direkta analoger i sfären av molekylära eller mikroskala system, " sa Brookhaven fysiker Oleg Gang, huvudförfattare på tidningen, som utförde huvuddelen av forskningen vid labbets centrum för funktionella nanomaterial.

Breda klasser av stavliknande föremål, allt från molekyler till virus, uppvisar ofta typiskt flytande kristall-liknande beteende, där stavarna är i linje med ett riktningsberoende, ibland med de inriktade kristallerna som bildar tvådimensionella plan över ett givet område. Stavformade föremål med stark riktning och attraktionskrafter mellan sina ändar, vilket resulterar, till exempel, från polariserad laddningsfördelning - kan ibland också radas upp från ände till ände och bildar linjära endimensionella kedjor.

Inget av de typiska arrangemangen finns i de DNA-tjudrade nanoroderna.

"Vår upptäckt visar att en kvalitativt ny regim uppstår för objekt i nanoskala dekorerade med flexibla molekylära tjuder av jämförbara storlekar - ett endimensionellt stegliknande linjärt arrangemang som uppträder i frånvaro av end-to-end-affinitet mellan stavarna, "Gäng sa.

Alexei Tkachenko, CFN-forskaren som utvecklade teorin för att förklara det exceptionella arrangemanget, utvecklade:"Anmärkningsvärt nog, systemet har alla tre dimensionerna att leva i, ändå väljer den att bilda det linjära, nästan endimensionella band. Det kan jämföras med hur extra dimensioner som hypoteser av högenergifysiker blir 'dolda, så att vi befinner oss i en 3D-värld."

Tkachenko förklarar hur den stegliknande inriktningen är resultatet av ett fundamentalt symmetribrott:

"När en nanorod ansluter till en annan sida vid sida, den tappar den cylindriska symmetri som den hade när den hade fria tjuder runt om. Sedan, nästa nanorod kommer företrädesvis att binda till en annan sida av den första, där det fortfarande finns tillgängliga DNA-linkers."

DNA som lim

Att använda syntetiskt DNA som en form av molekylärt lim för att styra sammansättningen av nanopartiklar har varit ett centralt tillvägagångssätt i Gangs forskning vid CFN. Hans tidigare arbete har visat att strängar av denna molekyl - mer känd för att bära den genetiska koden för levande varelser - kan dra ihop nanopartiklar när strängar bär komplementära sekvenser av nukleotidbaser (känd med bokstäverna A, T, G, och C) används som tjuder, eller inhibera bindning när omatchade strängar används. Att noggrant kontrollera dessa attraktiva och hämmande krafter kan leda till finjusterad nanoskalateknik.

I den aktuella studien, forskarna använde guld nanorods och enkla DNA-strängar för att utforska arrangemang gjorda med komplementära tjuder fästa på intilliggande stavar. De undersökte också effekterna av att använda länksträngar av varierande längd för att fungera som bindningslim.

Efter att ha blandat de olika kombinationerna, de studerade de resulterande arrangemangen med hjälp av ultraviolett-synlig spektroskopi vid CFN, och även med liten vinkel röntgenspridning vid Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS). De använde också tekniker för att "frysa" åtgärden vid olika punkter under monteringen och observerade de statiska faserna med hjälp av svepelektronmikroskopi för att få en bättre förståelse av hur processen fortskred över tiden.

De olika analysmetoderna bekräftade arrangemanget sida vid sida av nanoroderna uppställda som stegpinnar på ett stegliknande band under de tidiga monteringsstadierna, följt senare av stapling av banden och slutligen större tredimensionell aggregering på grund av bildandet av DNA-bryggor mellan banden.

Denna stegvisa monteringsprocess, kallas hierarkisk, påminner om självmontering i många biologiska system (t.ex. länkningen av aminosyror till kedjor följt av den efterföljande veckningen av dessa kedjor för att bilda funktionella proteiner).

Monteringens stegvisa karaktär föreslog för teamet att processen kunde stoppas i mellanstadierna. Använda "blockerare"-strängar av DNA för att binda upp de återstående fria tjuden på de linjära bandliknande strukturerna, de visade sin förmåga att förhindra interaktioner i senare skede som bildar aggregerade strukturer.

"Att stoppa monteringsprocessen vid stegliknande bandstadiet kan potentiellt användas för tillverkning av linjära strukturer med tekniska egenskaper, ", sa Gang. "Till exempel genom att kontrollera plasmoniska eller fluorescerande egenskaper - materialens svar på ljus - kan vi kanske göra ljuskoncentratorer eller ljusledare i nanoskala, och kunna byta dem på begäran."