En kub, en oktaeder, ett prisma - dessa är bland de polyedriska strukturerna, eller ramar, gjord av DNA som forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory har designat för att koppla ihop nanopartiklar till en mängd exakt strukturerade tredimensionella (3D) gitter. Forskarna utvecklade också en metod för att integrera nanopartiklar och DNA-ramar i sammankopplade moduler, utöka mångfalden av möjliga strukturer.

Dessa prestationer, beskrivs i tidningar publicerade i Naturmaterial och Naturkemi , skulle kunna möjliggöra rationell design av nanomaterial med förbättrad eller kombinerad optisk, elektrisk, och magnetiska egenskaper för att uppnå önskade funktioner.

"Vi siktar på att skapa egenmonterade nanostrukturer från ritningar, sade fysikern Oleg Gang, som ledde denna forskning vid Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science User Facility i Brookhaven. "Strukturen av våra nanopartikelsammansättningar styrs mestadels av formen och bindningsegenskaperna hos exakt designade DNA-ramar, inte av nanopartiklarna själva. Genom att göra det möjligt för oss att konstruera olika galler och arkitekturer utan att behöva manipulera partiklarna, Vår metod öppnar stora möjligheter för att designa nanomaterial med egenskaper som kan förstärkas genom att exakt organisera funktionella komponenter. Till exempel, vi skulle kunna skapa riktade ljusabsorberande material som utnyttjar solenergi, eller magnetiska material som ökar informationslagringskapaciteten."

Designade ramar för önskade strukturer

Gangs team har tidigare utnyttjat DNA:s komplementära basparning - den mycket specifika bindningen av baser som är känd med bokstäverna A, T, G, och C som utgör stegen på DNA-dubbelhelix-"stege" - för att föra samman partiklar på ett exakt sätt. Partiklar belagda med enkla DNA-strängar länkar till partiklar belagda med komplementära strängar (A binder med T och G binder till C) samtidigt som de stöter bort partiklar belagda med icke-komplementära strängar.

De har också designat 3D DNA-ramar vars hörn har enkelsträngade DNA-tjuder till vilka nanopartiklar belagda med komplementära strängar kan binda. När forskarna blandar dessa nanopartiklar och ramar, komponenterna självmonteras till galler som huvudsakligen definieras av formen på den designade ramen. Nature Materials-dokumentet beskriver de senaste strukturerna som uppnåtts med denna strategi.

"I vårt tillvägagångssätt, vi använder DNA-ramar för att främja riktningsinteraktioner mellan nanopartiklar så att partiklarna ansluter till specifika konfigurationer som uppnår de önskade 3D-matriserna, sade Ye Tian, huvudförfattare på Naturmaterial paper och en medlem av Gangs forskargrupp. "Geometrin för varje partikelbindande ram är direkt relaterad till gittertypen, även om den exakta karaktären av detta förhållande fortfarande undersöks."

Än så länge, teamet har designat fem polyedriska ramformer – en kub, en oktaeder, en långsträckt fyrkantig bipyramid, ett prisma, och en triangulär bypyramid – men en mängd andra former kan skapas.

"Tanken är att konstruera olika 3D-strukturer (byggnader) från samma nanopartikel (tegelsten), sade Gang. Vanligtvis, partiklarna måste modifieras för att producera de önskade strukturerna. Vårt tillvägagångssätt minskar avsevärt strukturens beroende av partikelns natur, som kan vara guld, silver, järn, eller något annat oorganiskt material."

DNA origami

För att designa ramarna, laget använde DNA-origami, en självmonteringsteknik där korta syntetiska DNA-strängar (stapelsträngar) blandas med en längre enkelsträng av biologiskt härlett DNA (ställningssträng). När forskarna värmer och kyler denna blandning, klammersträngarna binder selektivt med eller "häftar" ställningssträngen, vilket får ställningssträngen att upprepade gånger vikas över sig själv. Datorprogram hjälper dem att bestämma de specifika sekvenserna för att vika DNA:t till önskade former.

Vikningen av den enkelsträngade DNA-ställningen introducerar förankringspunkter som innehåller fria "klibbiga" ändar - oparade strängar av DNA-baser - där nanopartiklar belagda med komplementära enkelsträngade tjuder kan fästa. Dessa klibbiga ändar kan placeras var som helst på DNA-ramen, men Gangs team valde hörnen så att flera ramar kunde kopplas ihop.

För varje ramform, antalet DNA-strängar som länkar ett ramhörn till en enskild nanopartikel är ekvivalent med antalet kanter som konvergerar i det hörnet. Kub- och prismaramarna har tre trådar i varje hörn, till exempel. Genom att göra dessa hörntjuder med varierande antal baser, forskarna kan justera flexibiliteten och längden på partikel-ram-länkarna.

Avstånden mellan partiklarna bestäms av längden på ramkanterna, som är tiotals nanometer i ramarna som designats hittills, men forskarna säger att det borde vara möjligt att skräddarsy ramarna för att uppnå önskade dimensioner.

Forskarna verifierade ramstrukturerna och nanopartikelarrangemangen genom kryo-elektronmikroskopi (en typ av mikroskopi utförd vid mycket låga temperaturer) vid CFN och Brookhavens biologiavdelning, och röntgenspridning vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science User Facility i Brookhaven.

Från klossar till lego

I den Naturkemi papper, Gangs team beskrev hur de använde en liknande DNA-baserad metod för att skapa programmerbar tvådimensionell (2D), fyrkantiga DNA-ramar runt enstaka nanopartiklar.

DNA-strängar inuti ramarna ger koppling till komplementärt DNA på nanopartiklarna, i huvudsak håller partikeln inuti ramen. Varje yttre sida av ramen kan kodas individuellt med olika DNA-sekvenser. Dessa yttre DNA-strängar leder frame-frame igenkänning och anslutning.

Gang liknar dessa DNA-inramade nanopartikelmoduler med Legos vars interaktioner är programmerade:"Varje modul kan hålla en annan sorts nanopartikel och kopplas ihop med andra moduler på olika men specifika sätt, helt bestämt av den komplementära parningen av DNA-baserna på sidorna av ramen."

Med andra ord, ramarna avgör inte bara om nanopartiklarna kommer att ansluta utan också hur de kommer att ansluta. Att programmera ramsidorna med specifika DNA-sekvenser innebär att endast ramar med komplementära sekvenser kan länka ihop.

Att blanda olika typer av moduler tillsammans kan ge en mängd olika strukturer, liknande de konstruktioner som kan genereras från legobitar. Genom att skapa ett bibliotek av modulerna, forskarna hoppas kunna montera strukturer på begäran.

Förutsägbar montering av multifunktionella nanomaterial

Selektiviteten hos anslutningarna gör att olika typer och storlekar av nanopartiklar kan kombineras till enstaka strukturer.

Anslutningarnas geometri, eller hur partiklarna är orienterade i rymden, är mycket viktigt för att utforma strukturer med önskade funktioner. Till exempel, optiskt aktiva nanopartiklar kan arrangeras i en speciell geometri för att rotera, filtrera, absorbera, och avger ljus – funktioner som är relevanta för energiskördande tillämpningar, som bildskärmar och solpaneler.

Genom att använda olika moduler från "biblioteket, "Gängs team demonstrerade självmontering av endimensionella linjära arrayer, "sicksack" kedjor, fyrkantiga och korsformade kluster, och 2D kvadratiska gitter. Forskarna skapade till och med en förenklad modell i nanoskala av Leonardo da Vincis Vitruvian Man.

"Vi ville visa att komplexa nanopartikelarkitekturer kan monteras själv med vår metod, sa Gang.

På nytt, forskarna använde sofistikerade avbildningstekniker – elektron- och atomkraftsmikroskopi vid CFN och röntgenspridning vid NSLS-II – för att verifiera att deras strukturer överensstämde med de föreskrivna designerna och för att studera monteringsprocessen i detalj.

"Även om många ytterligare studier krävs, våra resultat visar att vi gör framsteg mot vårt mål att skapa designad materia via självmontering, inklusive periodiska partikelmatriser och komplexa nanoarkitekturer med friformsformer, " sa Gang. "Vårt tillvägagångssätt är spännande eftersom det är en ny plattform för tillverkning i nanoskala, en som kan leda till en mängd olika rationellt designade funktionella material."