Detta är en schematisk illustration av sammansättningen av DNA-funktionaliserade nanopartiklar (NP) vid positivt laddade gränssnitt. (a) I avsaknad av salt, interaktioner domineras av den elektrostatiska avstötningen mellan DNA -kedjor. (b) 2D -enheterna kan ändras genom att programmera interaktionerna mellan NP:erna. Genom att införa monovalent salt, en attraktiv interaktion mellan NP är påslagen, på grund av DNA -hybridisering. Förändring i interaktion mellan NP ger vägen att justera strukturen för 2D -enheterna vid gränssnittet. Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
Forskare som söker sätt att konstruera sammansättningen av små partiklar som bara mäter miljardelar av en meter har uppnått en ny första - bildandet av ett enda lager av nanopartiklar på en vätskeyta där lagrets egenskaper enkelt kan bytas. Att förstå monteringen av sådana nanostrukturerade tunna filmer kan leda till design av nya typer av filter eller membran med ett varierande mekaniskt svar för ett brett spektrum av applikationer. Dessutom, eftersom forskarna använde små syntetiska DNA -strängar för att hålla ihop nanopartiklarna, studien ger också inblick i mekanismen för interaktioner mellan nanopartiklar och DNA -molekyler nära ett lipidmembran. Denna förståelse kan informera om den nya användningen av nanopartiklar som vehiklar för att leverera gener över cellmembran.
"Vårt arbete avslöjar hur DNA-belagda nanopartiklar interagerar och omorganiseras vid ett lipidgränssnitt, och hur den processen påverkar egenskaperna hos en "tunn film" gjord av DNA-länkade nanopartiklar, "sa fysikern Oleg Gang som ledde studien vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) vid U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory. Resultaten publiceras den 11 juni, 2014 tryckt upplaga av Journal of the American Chemical Society .
Liksom molekylen som bär genetisk information i levande saker, de syntetiska DNA-strängarna som används som "lim" för att binda nanopartiklar i denna studie har en naturlig tendens att paras ihop när baserna som utgör steget i den snodda stegen formade molekylen matchar på ett visst sätt. Forskare vid Brookhaven har gjort stor nytta av denna attraktiva krafts specificitet för att få nanopartiklar belagda med enda syntetiska DNA-strängar för att para ihop och montera i en mängd tredimensionella arkitekturer. Målet med den här studien var att se om samma tillvägagångssätt kan användas för att uppnå design av tvådimensionella, enpartikeltjocka filmer.
"Många av de applikationer vi tänker oss för nanopartiklar, såsom optiska beläggningar och fotovoltaiska och magnetiska lagringsenheter, kräver plan geometri, "sa Sunita Srivastava, en postdoktoral forskare vid Stony Brook University och huvudförfattare på tidningen. Andra grupper av forskare har satt ihop sådana plan av nanopartiklar, flytande dem i huvudsak på en flytande yta, men dessa enkellagsarrayer har alla varit statiska, hon förklarade. "Genom att använda DNA -länkmolekyler får vi ett sätt att kontrollera interaktionerna mellan nanopartiklarna."
Som beskrivs i tidningen, forskarna visade sin förmåga att uppnå olika strukturerade monoskikt, från en viskös vätskeliknande uppsättning till ett tätare vävt tvärbundet elastiskt nät-och växla mellan de olika tillstånden-genom att variera styrkan hos parningen mellan komplementära DNA-strängar och justera andra variabler, inklusive den elektrostatiska laddningen på den flytande sammansättningsytan och koncentrationen av salt.
När ytan de använde, en lipid, har en stark positiv laddning det drar till sig de negativt laddade DNA -strängarna som täcker nanopartiklarna. Den elektrostatiska attraktionen och avstötningen mellan de negativt laddade DNA -molekylerna som omger intilliggande nanopartiklar överväger attraktionskraften mellan komplementära DNA -baser. Som ett resultat, partiklarna bildar ett ganska löst uppbyggt fritt flytande visköst monoskikt. Att tillsätta salt förändrar interaktionerna och övervinner avstötningen mellan liknande laddade DNA-strängar, låta basparna matcha varandra och länka nanopartiklarna närmare, bildar först strängliknande matriser, och med mer salt, ett mer fast men elastiskt meshliknande lager.
"Mekanismen för denna fasövergång är inte uppenbar, "sa gänget." Det kan inte förstås uteslutande från avstötningsattraktionens interaktioner. Med hjälp av teorin, vi avslöjar att det finns kollektiva effekter av de flexibla DNA -kedjorna som driver systemet i de särskilda staterna. Och det är bara möjligt när partikelstorlekarna och DNA-kedjestorlekarna är jämförbara-i storleksordningen 20-50 nanometer, " han sa.
Som en del av studien, forskarna undersökte de olika konfigurationerna av nanopartiklarna ovanpå vätskeskiktet med hjälp av röntgenspridning vid Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS). De överförde också monoskiktet som producerades vid varje saltkoncentration till en fast yta så att de kunde visualisera det med hjälp av elektronmikroskopi vid CFN.
Detta visar Brookhaven fysiker Oleg Gang och Stony Brook University postdoktor Sunita Srivastava. Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
"Att skapa dessa partikelmonoskikt på ett vätskegränssnitt är mycket bekvämt och effektivt eftersom partiklarnas tvådimensionella struktur är mycket" flytande "och lätt kan manipuleras-till skillnad från på ett fast underlag, där partiklarna lätt kan fastna på ytan, "Gäng sa." Men i vissa applikationer, vi kan behöva överföra det sammansatta lagret till en sådan fast yta. Genom att kombinera synkrotronspridning och elektronmikroskopi kan vi bekräfta att överföringen kan göras med minimal avbrott i monoskiktet. "
Monolagrens omkopplingsbara natur kan vara särskilt attraktiv för applikationer som membran som används för rening och separationer, eller för att styra transporten av molekylära eller nanoskala objekt genom vätskegränssnitt. Till exempel, sa Gang, när partiklar är länkade men rör sig fritt vid gränssnittet, de kan tillåta ett objekt - en molekyl - att passera genom gränssnittet. "Dock, när vi inducerar kopplingar mellan partiklar för att bilda ett nätliknande nätverk, något föremål som är större än nätets maskstorlek kan inte tränga igenom denna mycket tunna film. "
"I princip, vi kan till och med tänka på sådana on-demand-reglerade nätverk för att justera maskstorleken dynamiskt. Eftersom, av nanoskala storleksregim, vi kan tänka oss att använda sådana membran för filtrering av proteiner eller andra nanopartiklar, " han sa.
Att förstå hur syntetiska DNA-belagda nanopartiklar interagerar med en lipidyta kan också ge insikt om hur sådana partiklar belagda med faktiska gener kan interagera med cellmembran-som till stor del består av lipider-och med varandra i en lipidmiljö.
"Andra grupper har övervägt att använda DNA-belagda nanopartiklar för att detektera gener i celler, eller till och med för att leverera gener till celler för genterapi och sådana metoder, "sa Gang." Vår studie är den första i sitt slag som tittar på de strukturella aspekterna av DNA-partikel/lipidgränssnitt direkt med hjälp av röntgenspridning. Jag tror att detta tillvägagångssätt har ett betydande värde som en plattform för mer detaljerade undersökningar av realistiska system som är viktiga för dessa nya biomedicinska tillämpningar av DNA-nanopartiklar, Sa gänget.
