Kryształy z DNA i nanocząteczek

Naukowcy z Northwestern University zaprezentowali metodę tworzenia praktycznie idealnych kryształków, które zbudowane są z nanocząsteczek połączonych ze sobą za pomocą DNA. Struktura jest wysokiej jakości i według autorów technika może znaleźć zastosowanie w dziedzinie wysokich technologii, na przykład dając możliwość tworzenia krystalicznego krzemu na potrzeby półprzewodników. 

 

Opracowana metoda tworzenia pojedynczych kryształków opiera się na technikach supersieciowych, które laboratorium Mirkina rozwija od ponad 20 lat. W 1996 roku wynaleźli oni nanoczasteczkę SNA – sferyczny kwas nukleinowy, który dzięki swoim właściwościom znalazł zastosowanie w terapiach genowych, diagnostyce molekularnej (Verigene System firmy Nanosphere czy SmartFlare firmy AuraSense/EMD-Millipore). SNA można obejrzeć na prezentującej go animacji (oglądać w HD!):

Stosowane w przemyśle wysokiej jakości kryształy zbudowane są z atomów ułożonych w określonej sieci. Pojedynczy kryształ musi spełniać określone warunki: jego sieć krystaliczna musi być ciągła i nienaruszona. Brak wad nadaje mu pożądane właściwości mechaniczne, chemiczne, optyczne czy elektryczne. Zasady te stosują się także częściowo do większych nanocząsteczek, które otrzymywane są są pomocą suszenia i sedymentacji, co nie daje odpowiedniej kontroli nad ich kształtem.

Zespół Mirkina we współpracy z profesor Olvera de la Cruz z McCormick School of Engineering nie tylko opracował technikę tworzenia kryształów z nanocząsteczek i specyficznego typu DNA, ale także opisał postawy teoretyczne zjawiska - co pozwala przewidzieć i symulować kształt tworzonej struktury.

Obraz z mikroskopu elektronowego pokazujący fasetowany nanokryształek, zbudowany z nanocząsteczek połączonych ze sobą w określonym porządku dzięki oddziaływaniom przyczepionych do nich fragmentów DNA. Na dole schematyczna symulacja systemu. Kształt nanokryształka to dwunastościan rombowy o równowagowej strukturze krystalicznej, często spotykany w systemach metalicznych z przestrzennie centrowanym układem atomów. Fasetowaty kształt, czyli z płaskimi powierzchniami i równymi, prostymi brzegami mówi o dobrej jakości kryształu. Zbyt szybkie schładzanie czy DNA o złej długości powoduje obłe deformacje jego struktury.   (Evelyn Auyeung/Ting Li/Chad A. Mirkin/Monica Olvera de la Cruz)

Nici DNA tworzą wiązania pomiędzy nanocząsteczkami złota, przekształcając nieuporządkowaną strukturę w kryształ. Wykazano, że ważnym czynnikiem w jego formowaniu jest stosunek długości łączników z DNA do wielkości kryształu – warunkujący energię powierzchniową ściany fasety. Nieprawidłowa wartość stosunku skutkuje fluktuacjami energii i powstający kryształ nie jest fasetowany.

Aby uzyskać w labolatorium samoskładające się, pojedyncze kryształki w wodzie umieszczono nanocząsteczki złota opłaszczone DNA. Rozwór został ogrzany do temperatury punktu topnienia łączników DNA i był schładzany przez 2-3 dni do temperatury pokojowej. Powolny proces schładzania pozwalał na znalezienie jednoniciowemu DNA właściwych miejsc wiązania, układając cząsteczki w określonym porządku i dając w rezultacie wysokiej jakości pojedynczy kryształ o wielkości ok. 3 mikronów.

DNA wykorzystano zarówno jako blueprint (instrukcja do budowy), jak i podstawowy element konstrukcji kryształków. Dzięki zaprogramowanym oddziaływaniom DNA, nanocząsteczki składane są w określonych układach, dając trójwymiarowe struktury o odpowiednio zdefiniowanych kształach. (Evelyn Auyeung/Ting Li/Chad A. Mirkin/Monica Olvera de la Cruz)

Określono, że podczepione DNA nie może być o wiele dłuższe od samej nanocząsteczki. Cząsteczki wykorzystane w badaniu miały od 5 do 20nm, a długość DNA formującego kryształy wynosiła ok. 18 par zasad i 6 zasad na „lepkich końcach” (jednoniciowy odcinek, gdzie zasady nie mają pary)  tworzących wiązania. Według profesora Mirkina,  w przyszłości - po zmodyfikowaniu techniki - możliwe stanie się uzyskanie kryształów o większych rozmiarach. Pierwszym krokiem na nowej drodze będzie stworzenie nanokryształów o pożądanych właściwościach i badanie procesu ich krystalizacji. Wydaje się, że zasady ich wzrostu nieco różnią się od zasad rządzących powstawaniem prawdziwych kryształów, jednak spełniają one reguły konstrukcji krystalicznej Wuffa, czym naśladują krystalizację na poziomie atomowym (tworzenie tradycyjnych kryształów).

PODOBAŁO SIĘ? CHCESZ BYĆ NA BIEŻĄCO Z KOLEJNYMI ARTYKUŁAMI? 

>>POLUB NAS NA FACEBOOK<<

opracowanie: red. Seweryn Frasiński

źródła:

www.northwestern.edu

DNA-mediated nanoparticle crystallization into Wulff polyhedra. Nature 2013 doi:10.1038/nature12739

Evelyn Auyeung,, Ting I. N. G. Li,, Andrew J. Senesi,, Abrin L. Schmucker,, Bridget C. Pals,, Monica Olvera de la Cruz, & Chad A. Mirkin (2013). DNA-mediated nanoparticle crystallization into Wulff polyhedra Nature : doi:10.1038/nature12739