Forskare vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard University har avslöjat en ny metod för att bilda små 3D-metallnanopartiklar i föreskrivna former och dimensioner med hjälp av DNA, Naturens byggsten, som en konstruktionsform.

Möjligheten att forma oorganiska nanopartiklar av material som guld och silver i exakt designade 3D-former är ett betydande genombrott som har potential att avancera laserteknik, mikroskopi, solceller, elektronik, miljötestning, sjukdomsupptäckt och mer.

"Vi byggde små gjuterier gjorda av styvt DNA för att tillverka metallnanopartiklar i exakta tredimensionella former som vi digitalt planerade och designade, sa Peng Yin, senior författare av tidningen, Wyss kärnfakultetsmedlem och biträdande professor i systembiologi vid Harvard Medical School.

Wyss-teamets resultat, beskrivs i en artikel med titeln "Gjutning av oorganiska strukturer med DNA-formar, " publicerades idag i Vetenskap . Arbetet gjordes i samarbete med MIT:s Laboratory for Computational Biology and Biophysics, ledd av Mark Bathe, senior medförfattare till tidningen.

"Papperets resultat beskriver ett betydande framsteg inom DNA-nanoteknik såväl som i syntes av oorganiska nanopartiklar, " sa Yin. För allra första gången, en generell strategi för att tillverka oorganiska nanopartiklar med användarspecificerade 3D-former har uppnåtts för att producera partiklar så små som 25 nanometer eller mindre, med anmärkningsvärd precision (mindre än 5 nanometer). Ett pappersark är cirka 100, 000 nanometer tjock.

De oorganiska 3D-nanopartiklarna är först uttänkta och noggrant planerade med hjälp av datordesignprogramvara. Med hjälp av programvaran, forskarna designar tredimensionella "ramar" av önskad storlek och form byggda från linjära DNA-sekvenser, som attraherar och binder till varandra på ett förutsägbart sätt.

"Över åren, forskare har varit mycket framgångsrika i att göra komplexa 3D-former från DNA med olika strategier, sa Wei Sun, en postdoktor vid Wyss' Molecular Systems Lab och huvudförfattaren till artikeln. Till exempel, under 2012, Wyss-teamet avslöjade hur datorstödd design kan användas för att konstruera hundratals olika självmonterande en-, två-, och tredimensionella DNA-nanoformer med perfekt noggrannhet. Det är denna förmåga att designa godtyckliga nanostrukturer med hjälp av DNA-manipulation som inspirerade Wyss-teamet att föreställa sig att använda dessa DNA-strukturer som praktiska gjuterier, eller "formar", för oorganiska ämnen.

"Utmaningen var att översätta denna typ av 3D geometrisk kontroll till förmågan att gjuta strukturer i andra olika och funktionellt relevanta material, som guld och silver, " sa Sun.

Precis som vilket expanderande material som helst kan formas inuti en form för att anta en definierad 3D-form, Wyss-teamet satte sig för att odla oorganiska partiklar inom de begränsade ihåliga utrymmena av styva DNA-nanostrukturer

Konceptet kan liknas vid den japanska metoden att odla vattenmeloner i glaskuber. Genom att vårda vattenmelonfrön till mognad inuti kubformade glaslådor, Japanska bönder skapar kubformade mogna meloner som möjliggör tätt packad frakt och förvaring av frukten.

Wyss-forskarna planterade på samma sätt ett litet guld-"frö" inuti den ihåliga håligheten i deras noggrant utformade kubformade DNA-form och stimulerade sedan den att växa. Med hjälp av en aktiverande kemisk lösning, guldfröet växte och expanderade för att fylla allt befintligt utrymme inom DNA-ramverket, vilket resulterar i en kubisk nanopartikel med samma dimensioner som dess form., med längden, bredd och höjd av partikeln som kan kontrolleras oberoende.

Nästa, forskare tillverkade olika 3D-polygonala former, sfärer, och mer ambitiösa strukturer, såsom en 3D Y-formad nanopartikel och en annan struktur som består av en kubisk form inklämd mellan två sfärer, bevisar att strukturellt mångsidiga nanopartiklar kan formas med hjälp av komplexa DNA-formdesigner.

Med tanke på deras otänkbart lilla storlek, det kan komma som en överraskning att styva DNA-formar är relativt robusta och starka, kan motstå trycket från expanderande oorganiska material. Även om teamet valde guldplantor för att gjuta sina nanopartiklar, det finns ett brett utbud av oorganiska nanopartiklar som kan formas med våld genom denna process av DNA-nanocasting.

En mycket användbar egenskap är att en gång gjuten, dessa nanopartiklar kan behålla DNA-formens ramverk som en yttre beläggning, möjliggör ytterligare ytmodifiering med imponerande precision i nanoskala. Dessa beläggningar kan också hjälpa forskare att utveckla högkänsliga, multiplexmetoder för att upptäcka cancer i tidigt skede och genetiska sjukdomar genom att kombinera den kemiska specificiteten hos DNA:t med signalavläsningen av metallen. För partiklar som bättre skulle tjäna sitt syfte genom att vara så elektriskt befrämjande som möjligt, som i mycket små nanodatorer och elektroniska kretsar, DNA-rambeläggningen bryts snabbt och enkelt ner och tas bort för att producera rena metalltrådar och kopplingar.

"DNA:s egenskaper som gör det möjligt för det att själv sätta ihop och koda livets byggstenar har utnyttjats, omarbetat och omarbetat för nanotillverkning av oorganiska material, sade don Ingber, Wyss Institutes grundare. "Denna förmåga borde öppna upp helt nya strategier för områden som sträcker sig från datorminiatyrisering till energi- och patogendetektion."