(Phys.org) — Genom att fästa korta sekvenser av enkelsträngat DNA till nanoskala byggstenar, forskare kan designa strukturer som effektivt kan bygga sig själva. Byggstenarna som är avsedda att ansluta har komplementära DNA-sekvenser på sina ytor, se till att endast de rätta delarna binder samman när de trängs in i varandra medan de hänger i ett provrör.

Nu, ett team från University of Pennsylvania har gjort en upptäckt med konsekvenser för alla sådana självmonterade strukturer.

Tidigare arbete antog att det flytande mediet i vilket dessa DNA-belagda bitar flyter kunde behandlas som ett lugnt vakuum, men Penn-teamet har visat att vätskedynamik spelar en avgörande roll för typen och kvaliteten på de strukturer som kan göras på detta sätt.

När de DNA-belagda bitarna ordnar om sig själva och binder, de skapar slipströmmar som andra bitar kan flöda in i. Detta fenomen gör att vissa mönster inom strukturerna är mer benägna att bildas än andra.

Forskningen utfördes av professorerna Talid Sinno och John Crocker, tillsammans med doktorander Ian Jenkins, Marie Casey och James McGinley, alla av Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik vid Penns School of Engineering and Applied Science.

Den publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Penn-teamets upptäckt började med en ovanlig observation om en av deras tidigare studier, som handlade om en omkonfigurerbar kristallin struktur som laget hade gjort med hjälp av DNA-belagda plastsfärer, var och en 400 nanometer bred. Dessa strukturer sätts initialt ihop till floppiga kristaller med kvadratiska mönster, men, i en process som liknar värmebehandling av stål, deras mönster kan lockas till mer stabila, triangulära konfigurationer.

Förvånande, strukturerna de gjorde i labbet var bättre än de som deras datorsimuleringar förutspådde skulle resultera. De simulerade kristallerna var fulla av defekter, platser där det kristallina mönstret av sfärerna stördes, men de experimentellt odlade kristallerna var alla perfekt inriktade.

Även om dessa perfekta kristaller var ett positivt tecken på att tekniken kunde skalas upp för att bygga olika typer av strukturer, det faktum att deras simuleringar uppenbarligen var felaktiga indikerade ett stort hinder.

"Det du ser i ett experiment, "Sinno sa, "är vanligtvis en smutsigare version av det du ser i simulering. Vi måste förstå varför dessa simuleringsverktyg inte fungerar om vi ska bygga användbara saker med den här tekniken, och detta resultat var ett bevis på att vi inte helt förstår det här systemet ännu. Det är inte bara en simuleringsdetalj som saknades; det finns en grundläggande fysisk mekanism som vi inte inkluderar."

Genom elimineringsprocessen, den saknade fysiska mekanismen visade sig vara hydrodynamiska effekter, väsentligen, samspelet mellan partiklarna och vätskan som de är suspenderade i medan de växer. Simuleringen av ett systems hydrodynamik är kritisk när vätskan strömmar, som hur stenar formas av en forsande flod, men har ansetts vara irrelevant när vätskan är stilla, som det var i forskarnas experiment. Medan partiklarnas knuffande stör mediet, systemet förblir i jämvikt, vilket tyder på att den totala effekten är försumbar.

"Den konventionella visdomen, Crocker sa, "var att du inte behöver överväga hydrodynamiska effekter i dessa system. Att lägga till dem i simuleringar är beräkningsmässigt dyrt, och det finns olika typer av bevis för att dessa effekter inte förändrar systemets energi. Därifrån kan du ta ett steg till att säga, "Jag behöver inte oroa mig för dem alls."

Partikelsystem som de som tillverkas av dessa självmonterande DNA-belagda sfärer omarrangerar sig vanligtvis tills de når det lägsta energitillståndet. En ovanlig egenskap hos forskarnas system är att det finns tusentals slutliga konfigurationer - de flesta innehåller defekter - som är lika energiskt gynnsamma som den perfekta de producerade i experimentet.

"Det är som om du är i ett rum med tusen dörrar, ", sa Crocker. "Var och en av dessa dörrar tar dig till en annan struktur, bara en av dem är den koppar-guldmönsterkristall vi faktiskt får. Utan hydrodynamiken, simuleringen är lika sannolikt att skicka dig genom någon av dessa dörrar."

Forskarnas genombrott kom när de insåg att även om hydrodynamiska effekter inte skulle göra någon slutlig konfiguration mer energigynnsam än en annan, de olika sätten som partiklar skulle behöva för att omorganisera sig för att komma till dessa tillstånd var inte alla lika lätta. Kritiskt, det är lättare för en partikel att göra en viss omarrangering om den följer i kölvattnet av en annan partikel som gör samma rörelser.

"Det är som slipstreaming, " sa Crocker. "Sättet partiklarna rör sig tillsammans, det är som att de är ett fiskstim."

"Hur du går avgör vad du får, ", sa Sinno. "Det finns vissa vägar som har mycket mer slipstreaming än andra, och vägarna som har mycket motsvarar de slutliga konfigurationerna vi observerade i experimentet."

Forskarna tror att detta fynd kommer att lägga grunden för framtida arbete med dessa DNA-belagda byggstenar, men principen som upptäcktes i deras studie kommer sannolikt att hålla i andra situationer där mikroskopiska partiklar är suspenderade i ett flytande medium.

"Om slipstreaming är viktigt här, det kommer sannolikt att vara viktigt i andra partikelsammansättningar, " sa Sinno. Det handlar inte bara om dessa DNA-kopplade partiklar, det handlar om vilket system som helst där du har partiklar i denna storleksskala. För att verkligen förstå vad du får, du måste inkludera hydrodynamiken."