Un cubo, un octaedro, un prisma, estos se encuentran entre las estructuras poliédricas o marcos, hechos de ADN que los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han diseñado para conectar nanopartículas en una variedad de estructuras estructuradas con precisiónredes tridimensionales 3D. Los científicos también desarrollaron un método para integrar nanopartículas y marcos de ADN en módulos de interconexión, expandiendo la diversidad de estructuras posibles.
Estos logros, descritos en artículos publicados en Materiales de la naturaleza y Química de la naturaleza , podría permitir el diseño racional de nanomateriales con propiedades ópticas, eléctricas y magnéticas mejoradas o combinadas para lograr las funciones deseadas.
"Nuestro objetivo es crear nanoestructuras autoensambladas a partir de planos", dijo el físico Oleg Gang, quien dirigió esta investigación en el Centro de Nanomateriales Funcionales CFN, una Instalación de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Brookhaven. "La estructura de nuestroLos ensambles de nanopartículas están controlados principalmente por la forma y las propiedades de unión de los marcos de ADN diseñados con precisión, no por las nanopartículas en sí mismas. Al permitirnos diseñar diferentes redes y arquitecturas sin tener que manipular las partículas, nuestro método abre grandes oportunidades para diseñar nanomateriales con propiedadeseso se puede mejorar organizando con precisión los componentes funcionales. Por ejemplo, podríamos crear materiales absorbentes de luz específicos que aprovechen la energía solar o materiales magnéticos que aumenten la capacidad de almacenamiento de información ".
Marcos diseñados para las estructuras deseadas
El equipo de Gang ha explotado previamente el emparejamiento de bases complementarias del ADN - la unión altamente específica de bases conocidas por las letras A, T, G y C que forman los peldaños de la "escalera" de doble hélice del ADN - para traer partículasjuntas de una manera precisa. Las partículas recubiertas con cadenas simples de ADN se unen a partículas recubiertas con cadenas complementarias A se une con T y G se une con C mientras repelen las partículas recubiertas con cadenas no complementarias.
También han diseñado marcos de ADN 3D cuyas esquinas tienen ataduras de ADN monocatenario a las que se pueden unir nanopartículas recubiertas con hebras complementarias. Cuando los científicos mezclan estas nanopartículas y marcos, los componentes se autoensamblan en redes que se definen principalmente por la formadel marco diseñado. El documento de Nature Materials describe las estructuras más recientes logradas usando esta estrategia.
"En nuestro enfoque, usamos marcos de ADN para promover las interacciones direccionales entre las nanopartículas de modo que las partículas se conectan en configuraciones específicas que logran los conjuntos 3D deseados", dijo Ye Tian, autor principal de la Materiales de la naturaleza artículo y miembro del equipo de investigación de Gang. "La geometría de cada marco de enlace de partículas está directamente relacionada con el tipo de red, aunque todavía se está explorando la naturaleza exacta de esta relación".
Hasta ahora, el equipo ha diseñado cinco formas de marco poliédrico: un cubo, un octaedro, una bipirámide cuadrada alargada, un prisma y una pirámide triangular, pero se podrían crear una variedad de otras formas.
"La idea es construir diferentes estructuras 3D edificios a partir de la misma nanopartícula ladrillo", dijo Gang. "Por lo general, las partículas deben modificarse para producir las estructuras deseadas. Nuestro enfoque reduce significativamente la dependencia de la estructura en elnaturaleza de la partícula, que puede ser oro, plata, hierro o cualquier otro material inorgánico ".
origami de ADN
Para diseñar los marcos, el equipo utilizó origami de ADN, una técnica de autoensamblaje en la que se mezclan hebras sintéticas cortas de ADN hebras básicas con una hebra más larga de ADN derivado biológicamente hebra de andamio.enfriar esta mezcla, las hebras básicas se unen selectivamente o "engrapan" la hebra del andamio, haciendo que la hebra del andamio se doble repetidamente sobre sí misma. El software de la computadora les ayuda a determinar las secuencias específicas para doblar el ADN en las formas deseadas.
El plegado del andamio de ADN monocatenario introduce puntos de anclaje que contienen extremos "pegajosos" libres, cadenas no pares de bases de ADN, donde se pueden unir nanopartículas recubiertas con correas de cadena sencilla complementarias. Estos extremos adhesivos se pueden colocar en cualquier lugarel marco de ADN, pero el equipo de Gang eligió las esquinas para poder conectar múltiples marcos.
Para cada forma de marco, el número de hebras de ADN que unen una esquina de marco a una nanopartícula individual es equivalente al número de bordes que convergen en esa esquina. Los marcos de cubo y prisma tienen tres hebras en cada esquina, por ejemplo.Atados a las esquinas con un número variable de bases, los científicos pueden ajustar la flexibilidad y la longitud de los enlaces marco de partículas.
Las distancias entre partículas están determinadas por las longitudes de los bordes del marco, que son decenas de nanómetros en los marcos diseñados hasta la fecha, pero los científicos dicen que debería ser posible adaptar los marcos para lograr las dimensiones deseadas.
Los científicos verificaron las estructuras de los marcos y las disposiciones de nanopartículas a través de microscopía crioelectrónica un tipo de microscopía realizada a temperaturas muy bajas en el Departamento de Biología de CFN y Brookhaven, y la dispersión de rayos X en la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón II NSLS-II, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Brookhaven.
De ladrillos a Legos
en el Química de la naturaleza documento, el equipo de Gang describió cómo utilizaron un enfoque similar basado en el ADN para crear marcos de ADN de dos dimensiones programables, bidimensionales 2D alrededor de nanopartículas individuales.
Las cadenas de ADN dentro de los marcos proporcionan acoplamiento al ADN complementario en las nanopartículas, esencialmente sosteniendo la partícula dentro del marco. Cada lado exterior del marco puede codificarse individualmente con diferentes secuencias de ADN. Estas cadenas externas de ADN guían el reconocimiento y la conexión marco-marco.
Gang compara estos módulos de nanopartículas con marco de ADN con Legos cuyas interacciones están programadas: "Cada módulo puede contener un tipo diferente de nanopartículas y enclavarse con otros módulos de formas diferentes pero específicas, totalmente determinadas por el emparejamiento complementario de las bases de ADN en ellados del marco "
En otras palabras, los cuadros no solo determinan si las nanopartículas se conectarán, sino también cómo se conectarán. Programar los lados del cuadro con secuencias de ADN específicas significa que solo los cuadros con secuencias complementarias pueden conectarse.
Mezclar diferentes tipos de módulos juntos puede producir una variedad de estructuras, similares a las construcciones que se pueden generar a partir de piezas de Lego. Al crear una biblioteca de módulos, los científicos esperan poder ensamblar estructuras a pedido.
Ensamblaje predecible de nanomateriales multifuncionales
La selectividad de las conexiones permite combinar diferentes tipos y tamaños de nanopartículas en estructuras individuales.
La geometría de las conexiones, o cómo se orientan las partículas en el espacio, es muy importante para diseñar estructuras con las funciones deseadas. Por ejemplo, las nanopartículas ópticamente activas se pueden organizar en una geometría particular para rotar, filtrar, absorber y emitir luz--capacidades que son relevantes para aplicaciones de recolección de energía, como pantallas de visualización y paneles solares.
Al usar diferentes módulos de la "biblioteca", el equipo de Gang demostró el autoensamblaje de arreglos lineales unidimensionales, cadenas "en zigzag", grupos en forma de cruz y cuadrada, y celosías en 2D. Los científicos incluso generaron unmodelo simplista a nanoescala del hombre de Vitruvio de Leonardo da Vinci.
"Queríamos demostrar que las arquitecturas complejas de nanopartículas pueden autoensamblarse utilizando nuestro enfoque", dijo Gang.
Una vez más, los científicos utilizaron técnicas de imagen sofisticadas - microscopía electrónica y de fuerza atómica en el CFN y dispersión de rayos X en NSLS-II - para verificar que sus estructuras fueran consistentes con los diseños prescritos y para estudiar el proceso de ensamblaje en detalle.
"Aunque se requieren muchos estudios adicionales, nuestros resultados muestran que estamos avanzando hacia nuestro objetivo de crear materia diseñada a través del autoensamblaje, incluidas matrices de partículas periódicas y nanoarquitecturas complejas con formas de forma libre", dijo Gang. "Nuestro enfoque es emocionanteporque es una nueva plataforma para la fabricación a nanoescala, una que puede conducir a una variedad de materiales funcionales diseñados racionalmente ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencias de revistas :
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