ДНК - это план всей жизни, дающий инструкции и функции организмам, начиная от простых одноклеточных бактерий и заканчивая сложными человеческими существами. Теперь исследователи из Северо-Западного университета сообщают, что они использовали ДНК в качестве чертежа, подрядчика и строителя для создания трехмерной структуры из золота, безжизненного материала.
Используя только один вид наночастиц (золото), исследователи построили две общие, но очень разные кристаллические структуры, просто изменив одну вещь - нити синтезированной ДНК, прикрепленные к крошечным золотым сферам. Другая последовательность ДНК в цепи привела к образованию другого кристалла.
Техника, которая будет опубликована в журнале Nature и отражающая более десяти лет работы, является важным и фундаментальным шагом к созданию функциональных «дизайнерских» материалов с использованием программируемой самосборки. Такой подход «снизу вверх» позволит ученым использовать неорганические материалы и создавать структуры с определенными свойствами для конкретного применения, например, в терапии, биодиагностике, оптике, электронике или катализе..
Большинство драгоценных камней, таких как бриллианты, рубины и сапфиры, представляют собой кристаллические неорганические материалы. Внутри каждой кристаллической структуры атомы имеют точное расположение, что придает каждому материалу свои уникальные свойства. Знаменитая твердость и преломляющие свойства алмаза обусловлены его структурой - точным расположением атомов углерода.
В Северо-западном исследовании место атомов занимают наночастицы золота. Новая часть работы заключается в том, что исследователи используют ДНК для управления сборкой кристалла. Изменение последовательности цепей ДНК As, Ts, Gs и Cs меняет схему и, следовательно, форму кристаллической структуры. Два кристалла, о которых сообщается в журнале Nature, оба сделаны из золота, но имеют разные свойства, потому что частицы расположены по-разному.
Теперь мы ближе к мечте узнать, как наноученые, как разбить все на фундаментальные строительные блоки, которые для нас являются наночастицами, и собрать их в любую структуру, которую мы хотим, которая дает нам свойства, необходимые для определенных приложений», - сказал Чад А. Миркин, один из ведущих авторов статьи и профессор химии Джорджа Б. Ратмана в Колледже искусств и наук Вайнберга, профессор медицины и профессор материаловедения и инженерии. Помимо Миркина, работой руководил Джордж К. Шац, профессор химии Моррисона.
Изменяя тип ДНК на поверхности частиц, команда Северо-Запада может заставить частицы по-разному располагаться в пространстве. Структуры, которые в конечном итоге формируются, максимизируют гибридизацию ДНК. ДНК - это стабилизирующая сила, клей, скрепляющий структуру. «Эти структуры представляют собой новую форму материи, - сказал Миркин, - которую было бы трудно, если вообще возможно, создать каким-либо другим способом».
Он сравнивает этот процесс со строительством дома. Начиная с основных материалов, таких как кирпич, дерево, сайдинг, камень и черепица, строительная бригада может построить много разных типов домов из одних и тех же строительных блоков. В Северо-западной работе ДНК контролирует, где строительные блоки (наночастицы золота) расположены в конечной кристаллической структуре, располагая частицы функциональным образом. ДНК делает всю тяжелую работу, так что исследователям не приходится этого делать.
Миркин, Шац и их команда просто использовали один стандартный блок, золотые сферы, но по мере дальнейшего развития метода можно использовать множество строительных блоков разных размеров - с разным составом (золото, серебро и флуоресцентные частицы)., например) и различных форм (сферы, стержни, кубы и треугольники). Контроль расстояния между наночастицами также является ключом к функционированию структуры.
«Как только вы освоите это, вы сможете построить все, что захотите», - сказал Миркин, директор Северо-Западного международного института нанотехнологий.
«Однако правила, регулирующие самосборку, неизвестны, - сказал Шац, - и определение того, как комбинировать наночастицы в интересные структуры, является одной из самых больших проблем в этой области».
Исследователи Северо-Запада начали с наночастиц золота (диаметром 15 нанометров) и прикрепили к каждой частице двухцепочечную ДНК, причем одна из нитей значительно длиннее другой. Одноцепочечная часть этой ДНК служит «линкерной ДНК», которая ищет комплементарную одноцепочечную ДНК, прикрепленную к другой золотой наночастице. Связывание двух одиночных нитей линкерной ДНК друг с другом завершает двойную спираль, прочно связывая частицы друг с другом.
Каждая золотая наночастица имеет несколько нитей ДНК, прикрепленных к ее поверхности, поэтому наночастица связывается во многих направлениях, что приводит к трехмерной структуре - кристаллу. Одна последовательность линкерной ДНК, запрограммированная исследователями, приводит к одному типу кристаллической структуры, а другая последовательность линкерной ДНК приводит к другой структуре.
«Мы даже обнаружили случай, когда один и тот же линкер мог давать разные структуры в зависимости от температуры, при которой смешивались частицы», - сказал Шац.
Используя чрезвычайно яркое рентгеновское излучение, полученное синхротроном Advanced Photon Source в Аргоннской национальной лаборатории, в сочетании с вычислительным моделированием, исследовательская группа сделала изображения кристаллов, чтобы определить точное расположение частиц по всей структуре. Конечные кристаллы содержат примерно 1 миллион наночастиц.
«Ученым потребовались десятилетия работы, чтобы научиться синтезировать ДНК», - сказал Миркин. «Теперь мы научились использовать синтезированную форму вне тела, чтобы превращать безжизненную материю в полезные вещи, что действительно впечатляет».
Статья The Nature под названием «ДНК-программируемая кристаллизация наночастиц» должна быть опубликована 31 января 2008 года. Помимо Миркина и Шаца, другими авторами являются Сунг Йонг Пак, бывший постдокторант в лаборатории Шаца, а теперь в Университет Рочестера (ведущий автор); аспирант Эбигейл К. Р. Литтон-Джин, Северо-Западный университет; Byeongdu Lee, Advanced Photon Source, Аргоннская национальная лаборатория; и Стивен Вейганд, Северо-Западный центр синхротронных исследований DND-CAT в Аргоннском усовершенствованном источнике фотонов.