Создание инновационных 3D-наноматериалов с помощью программируемой ДНК сборки

Колумбийский университет, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк

Электронно-микроскопическое изображение трехмерной наночастицы, собранной с использованием программируемых ДНК связей. (Изображение:Олег Ганг)

Когда было построено Эмпайр-стейт-билдинг, его 102 этажа возвышались над центром города по частям, причем каждый отдельный элемент объединялся, чтобы на 40 лет стать самым высоким зданием в мире. В центре Колумбии Олег Ганг и его лаборатория химического машиностроения не строят архитектуру в стиле ар-деко; их ориентиры — невероятно маленькие устройства, построенные из наноскопических строительных блоков, которые самоорганизуются.

«Теперь мы можем создавать сложно предписанные 3D-организации из самособранных нанокомпонентов, что-то вроде наноразмерной версии Эмпайр-стейт-билдинг», — сказал Ганг, профессор химической инженерии, прикладной физики и материаловедения в Колумбийском инженерном институте и руководитель группы мягких и бионаноматериалов Центра функциональных наноматериалов в Брукхейвенской национальной лаборатории.

«Возможность создавать 3D-наноразмерные материалы по дизайну имеет решающее значение для многих новых приложений, начиная от манипуляций со светом и заканчивая нейроморфными вычислениями, от каталитических материалов до биомолекулярных каркасов и реакторов», — сказал Ганг.

В двух статьях, одна опубликована в журнале Nature Materials. и второй в ACS Nano Ганг и его коллеги описывают новую методологию изготовления целевых 3D-наноразмерных структур посредством самосборки, которая может найти применение в различных приложениях, и предоставляют алгоритм проектирования, которому могут последовать другие. И все это основано на самом основном биомолекулярном строительном блоке:ДНК.

Когда дело доходит до мелкосерийного производства микроэлектроники, традиционные подходы основаны на стратегии «сверху вниз». Одним из распространенных подходов является фотолитография, при которой для травления схем используется мощный свет и сложные трафареты. Но традиционные методы литографии борются со сложными трехмерными структурами, а аддитивное производство, более известное как 3D-печать, пока не может создавать элементы на наноуровне. С точки зрения рабочего процесса, оба метода изготавливают каждую деталь одну за другой, последовательно. Это по своей сути медленный процесс создания 3D-объектов.

Опираясь на биосистемы, Ганг создает трехмерные материалы и устройства снизу вверх посредством процессов самосборки, управляемых ДНК. Он совершенствовал свой метод в сотрудничестве с другими учеными, создавая, например, очень маленькую электронику, необходимую им для работы.

Два месяца назад он и его бывший студент Аарон Майкельсон, ныне научный сотрудник Центра функциональных наноматериалов Брукхейвенской национальной лаборатории, представили прототип сотрудникам из Университета Миннесоты, заинтересованным в создании 3D-датчиков света, интегрированных в микрочипы. Они построили датчики, вырастив каркасы ДНК на чипе, а затем покрыв их светочувствительным материалом.

Это устройство было лишь первым из многих. В своей последней статье в Nature Materials Ганг и его команда разрабатывают стратегию обратного проектирования для создания желаемых трехмерных структур из набора наноразмерных компонентов ДНК и наночастиц. В исследовании представлены еще четыре применения их подхода «ДНК-оригами» к дизайну материалов:кристаллоподобная структура, состоящая из одномерных струн и двумерных слоев; имитация материалов, обычно используемых в солнечных батареях; еще один кристалл, вращающийся по спирали; а для сотрудника Наньфана Ю, профессора прикладной физики Колумбийского инженерного института, — структуру, которая будет отражать свет определенным образом для его цели создания оптического компьютера.

Используя передовые методы определения характеристик, такие как синхротронное рентгеновское рассеяние и методы электронной микроскопии, в национальных лабораториях Колумбии и Брукхейвена, команда подтвердила, что полученные структуры соответствуют их проектам, и раскрыла разработанные соображения по улучшению точности структуры. Каждая из этих уникальных структур собиралась в колодцах в лаборатории Ганга. Этот тип формирования материала по своей природе параллелен, поскольку компоненты собираются вместе в процессе сборки, что означает значительную экономию времени и средств при 3D-изготовлении по сравнению с традиционными методами. Процесс изготовления также экологически безопасен, поскольку сборка происходит в воде.

«Эта методология сборки в сочетании с автоматизацией жидкостной робототехники, над которой я сейчас работаю в BNL, открывает новые возможности для создания 3D-нанопроизводства для широкого спектра приложений», — сказал Брайан Миневич, соавтор статьи, доктор философии. студент лаборатории Ганга, а сейчас работает научным сотрудником в BNL.

«Это платформа, которая применима ко многим материалам с множеством различных свойств:биологическими, оптическими, электрическими, магнитными», — сказал Ганг. Конечный результат просто зависит от дизайна.

ДНК сворачивается предсказуемо, поскольку четыре составляющие ее нуклеиновые кислоты могут спариваться только в определенных комбинациях. Но когда искомая структура содержит миллионы, если не миллиарды частей, как придумать правильную стартовую последовательность? Ганг и его коллеги решают эту проблему, используя подход обратного структурного проектирования. «Если мы знаем большую структуру с функцией, которую хотим создать, мы можем разбить ее на более мелкие компоненты, чтобы создать наши строительные блоки со структурными, связующими и функциональными атрибутами, необходимыми для формирования желаемой структуры», — сказал Ганг.

Строительные блоки представляют собой нити ДНК, которые складываются в механически прочную октаэдрическую форму, которую Ганг называет вокселем, с соединителями в каждом углу, которые связывают каждый воксель вместе. Многие вокселы можно спроектировать так, чтобы они соединялись в определенный повторяющийся трехмерный мотив с помощью кодирования ДНК, подобно тому, как кусочки головоломки образуют сложную картину. Повторяющиеся мотивы, в свою очередь, также собираются параллельно для создания целевой иерархически организованной структуры. Соавтор Санат Кумар, профессор химической инженерии Майкла Быховского и Чаро Гонсалес-Быховского в Колумбийском университете, провел вычислительную проверку подхода обратного проектирования Ганга.

Чтобы реализовать стратегию обратного проектирования, исследователи должны выяснить, как спроектировать эти наноразмерные «кусочки головоломки» на основе ДНК с минимальным количеством, необходимым для формирования желаемой структуры. "Вы можете думать об этом как о сжатии файла. Мы хотим свести к минимуму объем информации, чтобы самосборка ДНК была наиболее эффективной", - сказал первый автор Джейсон Кан, научный сотрудник BNL и ранее постдок в группе Ганга. Этот алгоритм, получивший название «Картирование структурно-кодированной сборки», или MOSES, похож на наномасштабное программное обеспечение САПР, добавил Ганг. «Он подскажет вам, какой воксель ДНК использовать для создания определенной, произвольно определенной трехмерной иерархически упорядоченной решетки».

Оттуда вы можете добавлять различные типы нано- «грузов» внутрь вокселей ДНК, которые придадут конечной структуре особые свойства. Например, наночастицы золота были внедрены для придания уникальных оптических свойств, как продемонстрировали эксперименты Ю. Но, как было показано ранее, в эти каркасы ДНК могут быть интегрированы как неорганические, так и биологические нанокомпоненты.

Как только устройство было собрано, команда также «минерализовала» его. Они покрыли каркасы кремнеземом, а затем подвергли их нагреву, чтобы разложить ДНК, эффективно преобразуя исходные органические каркасы в очень прочную неорганическую форму.

Ганг продолжает сотрудничать с Кумаром и Ю, чтобы раскрыть принципы проектирования, которые позволят проектировать и собирать сложные конструкции, надеясь реализовать еще более сложные конструкции, включая 3D-схему, предназначенную для имитации сложных связей человеческого мозга.

"Мы находимся на пути к созданию восходящей платформы 3D-нанопроизводства. Мы рассматриваем это как 3D-печать следующего поколения в наномасштабе, но на данный момент возможности самосборки на основе ДНК позволяют нам наладить массовое параллельное производство", - сказал Ганг.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Олегом Гангом по адресу:Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра у вас должен быть включен JavaScript.