Använda vikt DNA för att exakt placera glödande molekyler i mikroskopiska ljusresonatorer, forskare vid Caltech har skapat en av världens minsta reproduktioner av Vincent van Goghs The Starry Night. Reproduktionen och tekniken som används för att skapa den beskrivs i en artikel publicerad i tidskriftens förhandsupplaga online Natur den 11 juli.

Den monokroma bilden – bara bredden på en krona över – var ett proof-of-concept-projekt som visade, för första gången, hur precisionsplaceringen av DNA-origami kan användas för att bygga chipbaserade enheter som datorkretsar i mindre skala än någonsin tidigare.

DNA origami, utvecklad för 10 år sedan av Caltechs Paul Rothemund (BS '94), är en teknik som gör det möjligt för forskare att vika en lång DNA-sträng till valfri form. Det vikta DNA:t fungerar sedan som en ställning på vilken forskare kan fästa och organisera alla typer av komponenter i nanometerskala, från fluorescerande molekyler till elektriskt ledande kolnanorör till läkemedel.

"Tänk på det lite som de pinnbrädor som folk använder för att organisera verktyg i sina garage, bara i detta fall, pinnbrädan sammanställs av DNA-strängar och verktygen hittar likaså sina egna positioner, säger Rothemund, forskningsprofessor i bioteknik, datavetenskap och matematiska vetenskaper, och beräknings- och neurala system. "Allt händer i ett provrör utan mänsklig inblandning, vilket är viktigt eftersom alla delar är för små för att manipuleras effektivt, och vi vill göra miljarder enheter."

Processen har potential att påverka en mängd olika tillämpningar från läkemedelsleverans till konstruktionen av nanoskala datorer. Men för många applikationer, Det räcker inte att organisera komponenter i nanoskala för att skapa enheter på DNA-tavlor; enheterna måste kopplas samman till större kretsar och måste ha ett sätt att kommunicera med större enheter.

Ett tidigt tillvägagångssätt var att först tillverka elektroder, och sedan sprida enheter slumpmässigt på en yta, med förväntningen att åtminstone några skulle landa där så önskas, en metod som Rothemund beskriver som "spraya och be".

År 2009, Rothemund och kollegor på IBM Research beskrev först en teknik genom vilken DNA-origami kan placeras på exakta platser på ytor med hjälp av elektronstrålelitografi för att etsa klibbiga bindningsställen som har samma form som origami. Till exempel, triangulära klibbiga fläckar binder triangulärt veckat DNA.

Under de senaste sju åren, Rothemund och Ashwin Gopinath, senior postdoktor i bioteknik vid Caltech, har förfinat och utökat denna teknik så att DNA-former kan placeras exakt på nästan vilken yta som helst som används vid tillverkning av datorchips. I den Natur papper, de rapporterar den första tillämpningen av tekniken – att använda DNA-origami för att installera fluorescerande molekyler i mikroskopiska ljuskällor.

"Det är som att använda DNA-origami för att skruva in molekylära glödlampor i mikroskopiska lampor, säger Rothemund.

I detta fall, lamporna är mikrotillverkade strukturer som kallas fotoniska kristallhåligheter (PCC), som är inställda för att resonera vid en viss ljusvåglängd, ungefär som en stämgaffel vibrerar med en viss tonhöjd. Skapad i ett tunt glasliknande membran, en PCC tar formen av en bakterieformad defekt i en annars perfekt bikaka av hål.

"Beroende på den exakta storleken och avståndet mellan hålen, en speciell våglängd av ljus reflekteras från kanten av kaviteten och fångas inuti, säger Gopinath, huvudförfattaren till studien. Han byggde PCC:er som är inställda för att ge resonans vid cirka 660 nanometer, våglängden som motsvarar en djup nyans av den röda färgen. Fluorescerande molekyler som är inställda för att lysa med en liknande våglängd lyser upp lamporna - förutsatt att de fastnar på exakt rätt plats i PCC.

"En fluorescerande molekyl avstämd till samma färg som en PCC lyser faktiskt starkare inuti kaviteten, men styrkan hos denna kopplingseffekt beror starkt på molekylens position i kaviteten. Några tiotals nanometer är skillnaden mellan molekylen som lyser starkt, eller inte alls, säger Gopinath.

Genom att flytta DNA-origami genom PCC:erna i steg om 20 nanometer, forskarna fann att de kunde kartlägga ett rutmönster av varma och kalla fläckar, där de molekylära glödlamporna antingen glödde svagt eller starkt. Som ett resultat, de kunde använda DNA-origami för att placera fluorescerande molekyler för att göra lampor med varierande intensitet. Liknande strukturer har föreslagits för att driva kvantdatorer och för användning i andra optiska applikationer som kräver många små ljuskällor integrerade tillsammans på ett enda chip.

"Alla tidigare arbetskopplingar av ljussändare till PCC skapade bara framgångsrikt en handfull fungerande lampor, på grund av den extraordinära svårigheten att reproducerbart kontrollera antalet och positionen av sändare i en kavitet, " säger Gopinath. För att bevisa deras nya teknik, forskarna bestämde sig för att skala upp och ge en visuellt övertygande demonstration. Genom att skapa PCC:er med olika antal bindningsställen, Gopinath kunde på ett tillförlitligt sätt installera vilket nummer som helst från noll till sju DNA-origami, låter honom styra ljusstyrkan för varje lampa digitalt. Han behandlade varje lampa som en pixel med en av åtta olika intensiteter, och producerade en uppsättning av 65, 536 av PCC-pixlarna (ett rutnät på 256 x 256 pixlar) för att skapa en reproduktion av Van Goghs "The Starry Night".

Nu när teamet på ett tillförlitligt sätt kan kombinera molekyler med PCC, de arbetar med att förbättra ljussändare. För närvarande, de fluorescerande molekylerna varar cirka 45 sekunder innan de reagerar med syre och "bränns ut, " och de avger några nyanser av rött snarare än en enda ren färg. Att lösa båda dessa problem kommer att hjälpa till med applikationer som kvantdatorer.

"Bortsett från ansökningar, det finns mycket grundläggande vetenskap att göra, säger Gopinath.