Forskare byggde oktaedrar med hjälp av repliknande strukturer gjorda av buntar av DNA-dubbel-helixmolekyler för att bilda ramarna (a). Enstaka DNA -strängar fästa vid hörnen (numrerade i rött) kan användas för att fästa nanopartiklar belagda med komplementära trådar. Detta tillvägagångssätt kan ge en mängd olika strukturer, inklusive sådana med samma typ av partikel vid varje hörn (b), arrangemang med partiklar placerade endast på vissa hörn (c), och strukturer med olika partiklar placerade strategiskt på olika hörn (d). Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
I en ny twist på användningen av DNA i nanoskala konstruktion, forskare vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory och medarbetare satte syntetiska delar av det biologiska materialet att fungera på två sätt:De använde repelformade konfigurationer av DNA -spiralen för att bilda en stel geometrisk ram, och tillsatte hängande bitar av enkelsträngat DNA för att limma nanopartiklar på plats.
Metoden, beskrivs i tidningen Naturnanoteknik , producerat förutsägbara kluster och grupper av nanopartiklar - ett viktigt steg mot design av material med skräddarsydda strukturer och funktioner för applikationer inom energi, optik, och medicin.
"Dessa grupper av nanopartiklar med förutsägbara geometriska konfigurationer är något analoga med molekyler gjorda av atomer, "sa Brookhaven -fysikern Oleg Gang, som ledde projektet på Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science User Facility. "Medan atomer bildar molekyler baserat på arten av deras kemiska bindningar, det har inte varit något enkelt sätt att införa ett sådant specifikt rumsligt bindningsschema på nanopartiklar. Det är just det problemet som vår metod tar upp. "
Med den nya metoden, forskarna säger att de potentiellt kan organisera arrangemang av olika typer av nanopartiklar för att dra nytta av kollektiva eller synergistiska effekter. Exempel kan vara material som reglerar energiflöde, rotera ljus, eller leverera biomolekyler.
"Vi kanske kan designa material som efterliknar naturens maskiner för att skörda solenergi, eller manipulera ljus för telekommunikationsapplikationer, eller utforma nya katalysatorer för att påskynda en mängd olika kemiska reaktioner, Sa gänget.
Forskarna demonstrerade tekniken för att konstruera nanopartikelarkitekturer med hjälp av en oktaedrisk ställning med partiklar placerade på exakta platser på ställningen enligt DNA -kodningens specificitet. Designerna inkluderade två olika arrangemang av samma uppsättning partiklar, där varje konfiguration hade olika optiska egenskaper. De använde också de geometriska klustren som byggstenar för större matriser, inklusive linjära kedjor och tvådimensionella plana ark.
"Vårt arbete visar mångsidigheten i detta tillvägagångssätt och öppnar upp många spännande möjligheter för högpresterande precisionsmontering av skräddarsydda 3D-byggstenar där flera nanopartiklar av olika strukturer och funktioner kan integreras, "sa CFN -forskaren Ye Tian, en av huvudförfattarna på tidningen.
Detaljer för montering
En kombination av kryo-elektronmikroskopi av en oktaedrisk ram med en guldnanopartikel bunden till var och en av de sex hörnen, visas från tre olika vinklar. Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
Denna konstruktion i nanoskala drar nytta av två nyckelegenskaper hos DNA-molekylen:den dubbla helixformen med tvinnad stege, och den naturliga tendensen hos trådar med komplementära baser (A, T, G, och C -bokstäver i den genetiska koden) för att para ihop på ett exakt sätt.
Först, forskarna skapade buntar med sex dubbelhelixmolekyler, lägg sedan ihop fyra av dessa buntar för att skapa ett stabilt, något styvt byggmaterial - liknande det sätt som enskilda fibrösa trådar vävs ihop för att skapa ett mycket starkt rep. Forskarna använde sedan dessa repliknande balkar för att bilda ramen för tredimensionella oktaedrar, "häfta" de linjära DNA -kedjorna tillsammans med hundratals korta komplementära DNA -strängar.
"Vi hänvisar till dessa som DNA -origami -oktaedrar, Sa gänget.
För att göra det möjligt att "limma" nanopartiklar till 3D -ramarna, forskarna konstruerade var och en av de ursprungliga sex-helix-buntarna för att ha en helix med en extra enkelsträngad bit DNA som sticker ut från båda ändarna. När de monteras i 3D -oktaedrarna, varje hörn av ramen hade några av dessa "klibbiga ände" -trådar tillgängliga för bindning med föremål belagda med komplementära DNA -strängar.
"När nanopartiklar belagda med enkelsträngade tetrar blandas med DNA -origami -oktaedrar, de "fria" bitarna av DNA hittar varandra så att baserna kan paras ihop enligt reglerna i DNA -komplementaritetskoden. Thus the specifically DNA-encoded particles can find their correspondingly designed place on the octahedron vertices" Gang said.
The scientists can change what binds to each vertex by changing the DNA sequences encoded on the tethers. In one experiment, they encoded the same sequence on all the octahedron's tethers, and attached strands with a complementary sequence to gold nanoparticles. The result:One gold nanoparticle attached to each of octahedron's six vertices.
By strategically placing tethers on particular vertices, the scientists used the octahedrons to link nanoparticles into one-dimensional chainlike arrays (left) and two-dimensional square sheets (right). Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
In additional experiments the scientists changed the sequence of some vertices and used complementary strands on different kinds of particles, illustrating that they could direct the assembly and arrangement of the particles in a very precise way. In one case they made two different arrangements of the same three pairs of particles of different sizes, producing products with different optical properties. They were even able to use DNA tethers on selected vertices to link octahedrons end to end, forming chains, and in 2D arrays, forming sheets.
Visualization of arrays
Confirming the particle arrangements and structures was a major challenge because the nanoparticles and the DNA molecules making up the frames have very different densities. Certain microscopy techniques would reveal only the particles, while others would distort the 3D structures.
To see both the particles and origami frames, the scientists used cryo-electron microscopy (cryo-EM), led by Brookhaven Lab and Stony Brook University biologist Huilin Li, an expert in this technique, and Tong Wang, the paper's other lead co-author, who works in Brookhaven's Biosciences department with Li. They had to subtract information from the images to "see" the different density components separately, then combine the information using single particle 3D reconstruction and tomography to produce the final images.
"Cryo-EM preserves samples in their near-native states and provides close to nanometer resolution, " Wang said. "We show that cryo-EM can be successfully applied to probe the 3D structure of DNA-nanoparticle clusters."
These images confirm that this approach to direct the placement of nanoparticles on DNA-encoded vertices of molecular frames could be a successful strategy for fabricating novel nanomaterials.
