En imponerande mängd arkitektoniska former kan tillverkas av de populära sammankopplade byggstenarna som kallas LEGOS. Allt som behövs är ett barns fantasi för att konstruera en praktiskt taget oändlig mängd komplexa former.

I en ny studie som visas i tidskriften Fysiska granskningsbrev , forskare beskriver en teknik för att använda LEGO-liknande element i en skala av några miljarddels meter. Ytterligare, de kan locka dessa designelement att montera själv, med varje LEGO-bit som identifierar sin rätta partner och länkar ihop i en exakt sekvens för att slutföra den önskade nanostrukturen.

Medan tekniken som beskrivs i den nya studien simuleras på dator, strategin är tillämplig på metoder för självmontering som är gemensamma för området DNA-nanoteknik. Här, motsvarigheten till varje LEGO-bit består av en nanostruktur gjord av DNA, det berömda molekylära förrådet av vår genetiska kod. De fyra nukleotiderna som utgör DNA-vanligen märkta A, C, T &G— håll fast vid varandra enligt en tillförlitlig regel:A-nukleotider parar sig alltid med Ts och C-nukleotider med Gs.

Genom att använda basparningsegenskaper kan forskare som Petr Sulc, motsvarande författare till den nya studien, att designa DNA-nanostrukturer som kan ta form i ett provrör, som på autopilot.

"Det möjliga antalet sätt att designa interaktioner mellan byggstenarna är enormt, något som kallas en 'kombinatorisk explosion'", säger Sulc. "Det är omöjligt att individuellt kontrollera alla möjliga byggstensdesigner och se om de kan självmontera till den önskade strukturen. I vårt arbete, vi tillhandahåller ett nytt generellt ramverk som effektivt kan söka utrymmet för möjliga lösningar och hitta den som självmonterar till önskad form och undviker andra oönskade sammansättningar."

Sulc är forskare vid Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics och ASU:s School of Molecular Sciences (SMS). Han får sällskap av sin kollega Lukáš Kroc tillsammans med internationella kollaboratörer Flavio Romano och John Russo från Italien.

Den nya tekniken markerar en viktig språngbräda inom det snabbt växande området för DNA-nanoteknik, där egenmonterade former letar sig in i allt från nanoskaliga pincett till cancerjagande DNA-robotar.

Trots imponerande framsteg, konstruktionsmetoder som förlitar sig på molekylär självmontering har fått kämpa med oavsiktliga bindningar av byggmaterial. Utmaningarna växer med komplexiteten i den tänkta designen. I många fall, forskare är förbryllade över varför vissa strukturer självmonteras från en given uppsättning elementära byggstenar, eftersom de teoretiska grunderna för dessa processer fortfarande är dåligt förstådda.

För att möta problemet, Sulc och kollegor har uppfunnit ett smart färgkodningssystem som lyckas begränsa basparningarna till endast de som visas i designritningen för den slutliga strukturen, med alternativa baspar förbjudna.

Processen fungerar genom en specialdesignad optimeringsalgoritm, där den korrekta färgkoden för självmontering av den avsedda formen ger målstrukturen vid ett minimum av energi, samtidigt som konkurrerande strukturer utesluts.

Nästa, de sätter igång systemet, använder datorer för att designa två kristallformer av stor betydelse för fotonikområdet:pyroklor och kubisk diamant. Författarna noterar att denna innovativa metod är tillämpbar på alla kristallstrukturer.

För att tillämpa sin teoretiska ram, Sulc har inlett ett nytt samarbete med professorerna Hao Yan och Nick Stephanopoulos, hans kollegor på Biodesign och SMS. Tillsammans, de syftar till att experimentellt realisera några av de strukturer som de kunde designa i simuleringar.

"Medan den uppenbara tillämpningen av vårt ramverk är i DNA-nanoteknik, vårt tillvägagångssätt är generellt, och kan också användas till exempel för att designa självmonterade strukturer av proteiner, " säger Sulc.