Создание инновационных 3D наноматериалов через ДНК-программируемую сборку

Колумбийский университет, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк

Электронно-микроскопическое изображение 3D наночастицы, собранной с использованием ДНК-программируемых связей. (Изображение: Олег Ганг)

Когда Эйр-стейт Билдинг строился, его 102 этажа взошли над мидтауном по одному куску за раз, с каждым индивидуальным элементом, комбинирующимся, чтобы стать, на 40 лет, самым высоким зданием мира. Вверх по городу в Колумбии, Олег Ганг и его лаборатория химической инженерии не строят Ар-деко архитектуру; их ориентиры — невероятно маленькие устройства, построенные из наноскопических строительных блоков, которые укладываются сами.

"Теперь мы можем строить сложно предписанные 3D организации из самособирающихся нанокомпонентов, своего рода нано-версию Эйр-стейт Билдинга", — сказал Ганг, профессор химической инженерии и прикладной физики и материаловедения в Колумбийском инженеринге и лидер Группы мягких и био наноматериалов Центра функциональных наноматериалов в Брукхейвенской национальной лаборатории.

"Возможности производства 3D наномасштабных материалов по дизайну критичны для многих возникающих применений, от манипуляции светом к нейроморфовым вычислениям, и от каталитических материалов к биомолекулярным скаффолдам и реакторам", — сказал Ганг.

В двух статьях, одной выпущенной в Nature Materials и второй в ACS Nano, Ганг и его коллеги описывают новую методологию для производства целевых 3D наноструктур через самосборку, которая может найти применение в разнообразных приложениях, и они предоставляют дизайн-алгоритм для других, чтобы следовать за ним. И всё это основано на самых базовых биомолекулярных строительных блоках: ДНК.

Когда речь идет о мелкомасштабном производстве микроэлектроники, конвенциональные подходы основаны на топ-даун стратегиях. Один общий подход — фотолитография, которая использует мощный свет и сложные трафареты для травления цепей. Но основные литографические техники борются с сложными трехмерными структурами, в то время как аддитивное производство, лучше известное как 3D-печать, еще не может изготавливать особенности на наноуровне. В терминах рабочего процесса, оба метода производят каждую особенность по одной, последовательно. Это интринсически медленный процесс для построения 3D объектов.

Взяв свои подсказки из био-систем, Ганг строит 3D материалы и устройства снизу вверх через процессы самосборки, направленные ДНК. Он уточнял свой метод через сотрудничество с другими учеными для построения, например, невероятно маленькой электроники, которую им нужно для их работы.

Два месяца назад он и его бывший студент, Аарон Микельсон, теперь штатный ученый в Центре функциональных наноматериалов Брукхейвенской национальной лаборатории, доставили прототип для коллабораторов из Университета Миннесота, заинтересованных в создании 3D датчиков света, интегрированных на микрочипы. Они построили датчики, выращивая ДНК-скаффолды на чипе и затем покрывая их светочувствительным материалом.

Это устройство было лишь первым из многих. В их последней статье в Nature Materials, Ганг и его команда устанавливают обратную стратегию дизайна для создания желаемых 3D структур из набора наноскопических ДНК компонентов и наночастиц. Исследование представляет четыре дополнительных применения их подхода 'ДНК оригами' к дизайну материалов: кристаллическую структуру, состоящую из одномерных строк и двумерных слоев; мимик материалов, обычно найденных в солнечных панелях; другой кристалл, вращающийся в спиральном вихре; и, для коллаборатора Нанфанг Ю, профессора прикладной физики в Колумбийском инженеринге, структуру, которая будет отражать свет особыми способами для его цели создания оптического компьютера.

Используя передовые техники характеристики, такие как синхротронное рентгеновское рассеяние и методы электронной микроскопии, в Колумбийском и Брукхейвенских национальных лабораториях, команда подтвердила, что полученные структуры соответствуют их дизайнам и раскрыли дизайнерские соображения для улучшения верности структуры. Каждая из этих уникальных структур собралась сама в колодцах с водой в лаборатории Ганга. Этот тип формирования материала параллелен в своей природе, поскольку компоненты собираются вместе во время процесса сборки, означая значительную экономию времени и затрат для 3D производства по сравнению с традиционными методами. Процесс производства также экологически дружественен, так как сборка происходит в воде.

"Эта методология сборки, соединенная с жидкой роботизированной автоматизацией, над которой я работаю сейчас в BNL, открывает новые возможности для установления 3D нанопроизводства для широкого спектра применений", — сказал Брайан Миньевич, со-первый автор статьи, который был аспирантом в лаборатории Ганга и теперь постдок в BNL.

"Это платформа, применимая к многим материалам со многими разными свойствами: биологическим, оптическим, электрическими, магнитными", — сказал Ганг. "Конечный результат просто зависит от дизайна."

ДНК предсказуемо складывается, так как четыре нуклеиновые кислоты, из которых она состоит, могут парниться только в определенных комбинациях. Но когда желаемая структура содержит миллионы, если не миллиарды кусков, как вы придумываете правильную начальную последовательность? Ганг и его коллеги решают этот вызов с обратным структурным дизайном. "Если мы знаем большую структуру с функцией, которую мы хотим создать, мы можем разобрать её на меньшие компоненты для создания наших строительных блоков со структурными, связывающими и функциональными атрибутами, необходимыми для формирования желаемой структуры", — сказал Ганг.

Строительные блоки — цепи ДНК, которые складываются в механически надежную октаэдрическую форму, которую Ганг называет вокселем, с коннекторами в каждом углу, которые связывают каждый воксель вместе. Многие воксели могут быть спроектированы для связи в конкретный повторяющийся 3D мотив с использованием ДНК кодирования, похоже на то, как пазл части формируют сложную картину. Повторяющиеся мотивы, в свою очередь, также собираются параллельно для создания целевой иерархически организованной структуры. Коллаборатор Санат Кумар, профессор химической инженерии Майкла Быховского и Чаро Гонсалес-Быховского в Колумбии, предоставил вычислительную верификацию обратного дизайна Ганга.

Для обеспечения обратной стратегии дизайна, исследователям нужно выяснить, как спроектировать эти наноскопические 'пазл-куски' на основе ДНК с минимальным числом, необходимым для формирования желаемой структуры. "Вы можете думать об этом как о сжатии файла. Мы хотим минимизировать количество информации для ДНК самосборки, чтобы быть наиболее эффективным", — сказал первый автор Джейсон Кан, штатный ученый в BNL и ранее постдок в группе Ганга. Названное Mapping of Structurally Encoded Assembly, или MOSES, этот алгоритм как нано-масштабное CAD ПО, добавил Ганг. "Он скажет вам, какой ДНК воксель использовать для создания конкретного, произвольно определенного 3D иерархически упорядоченного решетки."

Оттуда вы можете добавить разнообразные типы нано-грузовиков внутри ДНК вокселей, которые наделят финальную структуру особыми свойствами. Например, золотые наночастицы были встроены для придания уникальных оптических свойств, как демонстрировано в экспериментах Ю. Но, как показано ранее, как неорганические, так и био-производные нанокомпоненты могут быть интегрированы в эти ДНК-скаффолды.

После того как устройство было собрано, команда также 'минерализовала' его. Они покрыли скаффолды кремнеземом и затем подвергли их теплу для разложения ДНК, эффективно конвертируя исходную органическую скаффолдинг в высоконадежную неорганическую форму.

Ганг продолжает сотрудничать с Кумаром и Ю для раскрытия дизайнерских принципов, которые позволят инженерию и сборку сложных структур, надеясь реализовать даже более сложные дизайны, включая 3D цепь, предназначенную для мимикрирования сложной связности человеческого мозга.

"Мы хорошо на пути к установлению снизу-вверх 3D нанопроизводственной платформы. Мы видим это как следующее поколение 3D печати на наноуровне, но пока сила ДНК-базированной самосборки позволяет нам устанавливать массово параллельное производство", — сказал Ганг.

Для получения дополнительной информации, свяжитесь с Олегом Гангом по адресу This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it..