Исследователи Университета штата Аризона Хао Ян и Ян Лю придумывают и собирают сложные структуры в почти непостижимо малых масштабах. Их средой является двойная спиральная молекула ДНК, универсальный строительный материал, предлагающий почти безграничный строительный потенциал.
В выпуске журнала Science от 2 января 2009 г. Ян и Лю, исследователи из Института биодизайна АГУ и преподаватели кафедры химии и биохимии, впервые раскрывают трехмерный характер нанотрубочек ДНК, колец и спирали, каждая в несколько сотен тысячных диаметра человеческого волоса. Эти ДНК-нанотрубки и другие синтетические наноструктуры вскоре могут найти применение в новом поколении сверхмаленьких электронных и биомедицинских инноваций.
Ян и Лю работают в быстро развивающейся области нанотехнологий структурной ДНК. Копируя страницу из путеводителя по природе, они извлекают выгоду из замечательных свойств молекулы ДНК самосборки. Когда лентообразные нити молекулы соединяются вместе, они прикрепляются друг к другу, как полоски липучки, в соответствии с простыми правилами, регулирующими спаривание их четырех химических оснований (обозначенных A, C, T и G). Из этого скудного алфавита природа выжала умопомрачительное множество форм. ДНК достигает этого за счет клеточного синтеза структурных белков, кодируемых определенными последовательностями оснований. Такие белки являются фундаментальными составляющими живой материи, образуя клеточные стенки, сосуды, ткани и органы. Но сама ДНК также может формировать стабильные архитектурные структуры, и ее можно искусственно заставить сделать это.
В своих исследованиях Ян был очень вдохновлен наномасштабной изобретательностью в мире природы: «Одноклеточные существа, такие как океанические диатомовые водоросли, - отмечает он, - содержат самособирающиеся белковые структуры». Эти разнообразные формы огромной деликатности и практичности организма часто являются результатом организованной самосборки как органического, так и неорганического материала.
Ученые в области нанотехнологий структурной ДНК, в том числе команда доктора Яна, ранее продемонстрировали, что готовые элементы ДНК могут быть индуцированы к самосборке, образуя полезные наноструктурные платформы или «плитки». Такие плитки могут соединяться друг с другом - со специфичностью кусочков головоломки - посредством спаривания оснований, образуя более крупные массивы.
Работа Яна и Лю в области науки является ответом на одну из фундаментальных задач в области нанотехнологий и материаловедения - построение форм молекулярного уровня в трех измерениях. Для этого команда использует наночастицы золота, которые можно разместить на одноцепочечной ДНК, заставляя эти гибкие массивы молекулярных плиток отклоняться от наночастиц, скручиваясь в замкнутые петли или образуя пружинообразные спирали или вложенные кольца, примерно от 30 до 180 нанометров в диаметре.
Наночастицы золота, которые заставляют нити ДНК замыкаться на себя, создают силу, известную как «стерическое препятствие», величина которой зависит от размера используемой частицы. Используя это стерическое препятствие, Ян и Лю впервые продемонстрировали, что нанотрубочки ДНК можно целенаправленно сворачивать в замкнутые кольца с высоким выходом.
Когда использовались частицы золота размером 5 нанометров, более мягкие стерические препятствия заставляли плитки ДНК сворачиваться и соединяться с соседними комплементарными сегментами, часто образуя спирали различного диаметра в дополнение к замкнутым кольцам. Однако частицы золота размером 10 нанометров создавали большие стерические препятствия, вызывая более сильно ограниченное скручивание, которое приводило к образованию в основном закрытых канальцев. Ян подчеркивает, что частица участвует в процессе самосборки не только как направляемый материал, но и как активный агент, индуцирующий и направляющий формирование нанотрубки.
При содействии Анчи Ченга и Джонатана Браунелла из Научно-исследовательского института Скриппса они использовали технику визуализации, известную как электронная криотомография, чтобы получить первые проблески неуловимой трехмерной архитектуры нанотрубочек ДНК.«Вы быстро замораживаете образец в стекловидном льду», - объясняет он, описывая процесс. «Это сохранит исходную форму структуры». Последующая визуализация под различными углами наклона позволяет реконструировать трехмерную наноструктуру, при этом частицы золота обеспечивают достаточную плотность электронов для четкой визуализации. (смотреть фильмы)
ДНК-нанотрубочки вскоре будут готовы присоединиться к своим двоюродным братьям из углеродных нанотрубок, обеспечивая гибкие, устойчивые и управляемые структуры на молекулярном уровне. Расширение контроля над трехмерными архитектурами заложит основу для будущих приложений в фотометрии, фотогальванике, сенсорных экранах и гибких дисплеях, а также для далеко идущих биомедицинских достижений.
«Способность строить трехмерные структуры посредством самосборки действительно захватывающая», - говорит Ян. «Это массовая параллель. Вы можете одновременно производить миллионы или триллионы копий».
Ян и Лю считают, что управляемые трубчатые наноструктуры, несущие наночастицы, могут быть применены для проектирования электрических каналов межклеточной связи или для создания различных наноэлектрических устройств.