Сложные 3D-материалы теперь можно программировать на самосборку из молекул.

Представьте, что вы можете «напечатать» крошечный небоскрёб, используя ДНК вместо стали. Именно этим и занимаются исследователи из Колумбийского и Брукхейвенского университетов — они создают сложные трёхмерные наноструктуры, используя предсказуемое сворачивание нитей ДНК.

Их новый метод проектирования использует вокселеподобные строительные блоки и алгоритм под названием MOSES для параллельного создания наноразмерных устройств, которые можно применять в самых разных областях — от оптических вычислений до биокаркасов.

В отличие от традиционной литографии или 3D-печати, этот процесс самосборки полностью происходит в воде и может произвести революцию в будущем нанопроизводстве.

Еще относительно недавно чудом науки и техники нам казались грандиозные небоскребы. Теперь ученые возводят наноструктуры — невидимые глазу, но способные полностью перевернуть наши представления о материалах будущего.

Вместо стали и бетона профессор химической инженерии Олег Ганг и его коллеги из Колумбийского университета используют ДНК — но не в привычном нам смысле, как генетический материал, а как строительный. Ученые программируют молекулы так, чтобы они самоорганизовались в сложные трехмерные формы, способные выполнять конкретные функции. Такие миниатюрные конструкции собираются сами по себе в воде, как бы «вырастая» из раствора, и при этом не требуют традиционного поэтапного производства, что экономит ресурсы и делает процесс экологически безопасным.

Художественная визуализация сборки спроектированных трёхмерных иерархически упорядоченных структур из наночастиц с использованием ДНК-программируемых связей (слева). Желаемая структура и её дизайн с учётом свойств оптического отражения, а также изображение сформированного материала с отражающими характеристиками (вверху справа). Изображение реализованной структуры с помощью электронной микроскопии: наночастицы расположены в виде линий, разделённых на половины длины волны света (внизу справа).

В двух статьях, одна из которых была опубликована 9 июля в Nature Materials, а вторая — 11 апреля в ACS Nano, Ганг и его коллеги описывают новую методологию создания целевых трёхмерных наноструктур методом самосборки, которые могут найти применение в самых разных областях, а также предоставляют алгоритм проектирования, которому могут следовать другие исследователи.

И всё это основано на самых базовых биомолекулярных строительных блоках: ДНК.

Рис. 1. Обратная разработка и сборка иерархически упорядоченных трёхмерных наноструктур с помощью вокселей, закодированных хроматическими и направленными связями.

Непрерывный поиск новых материалов

Ориентируясь на биосистемы, Ган создаёт трёхмерные материалы и устройства снизу вверх с помощью процессов самосборки, управляемых ДНК. Он совершенствует свой метод в сотрудничестве с другими учёными, чтобы создавать, например, чрезвычайно миниатюрную электронику, необходимую для их работы.

Два месяца назад он и его бывший студент Аарон Майкельсон, ныне научный сотрудник Центра функциональных наноматериалов Брукхейвенской национальной лаборатории, представили прототип коллегам из Миннесотского университета, заинтересованным в создании трёхмерных датчиков света, интегрированных в микрочипы. Они создали датчики, вырастив на чипе каркасы из ДНК и покрыв их светочувствительным материалом.

Это устройство было лишь первым из многих. В своей последней статье, опубликованной в журнале Nature Materials, Ган и его команда предлагают стратегию обратного проектирования для создания желаемых трёхмерных структур из набора наноразмерных компонентов ДНК и наночастиц.

В исследовании представлены четыре дополнительных варианта применения их подхода «ДНК-оригами» в разработке материалов: кристаллоподобная структура, состоящая из одномерных нитей и двумерных слоёв; имитация материалов, которые обычно используются в солнечных батареях; ещё один кристалл, вращающийся по спирали; а также структура, которая, по словам соавтора Нанфанга Ю, профессора прикладной физики в Колумбийском инженерном колледже, будет особым образом отражать свет, что поможет ему в один прекрасный день создать оптический компьютер.

Используя передовые методы определения характеристик, такие как рентгеновское рассеяние на основе синхротрона и методы электронной микроскопии, в Колумбийской и Брукхейвенской национальных лабораториях команда подтвердила, что полученные структуры соответствуют их замыслу, и выявила факторы, влияющие на точность структуры. Каждая из этих уникальных структур собиралась сама по себе в водяных колодцах в лаборатории Ганга.

Этот тип формирования материала является параллельным, поскольку компоненты соединяются в процессе сборки, что позволяет значительно сэкономить время и средства при 3D-производстве по сравнению с традиционными методами. Процесс производства также является экологически безопасным, поскольку сборка происходит в воде.

Эта методология сборки в сочетании с автоматизацией жидкостной робототехники, над которой я сейчас работаю в Брукхейвенской национальной лаборатории, открывает новые возможности для создания 3D-нанопроизводства для широкого спектра применений», — сказал Брайан Миневич, соавтор статьи, который был аспирантом в лаборатории Гэнга, а сейчас работает научным сотрудником в Брукхейвенской национальной лаборатории.

«Эта платформа применима ко многим материалам с самыми разными свойствами: биологическими, оптическими, электрическими, магнитными», — сказал Ганг. Конечный результат зависит от конструкции.

Упрощенный дизайн ДНК

ДНК сворачивается предсказуемым образом, поскольку четыре составляющие её нуклеиновые кислоты могут образовывать пары только в определённых комбинациях. Но как определить правильную начальную последовательность, если желаемая структура состоит из миллионов, если не миллиардов, элементов?

Ганг и его коллеги решают эту задачу с помощью обратного структурного проектирования. «Если мы знаем, какую большую структуру с нужной нам функцией мы хотим создать, мы можем разделить её на более мелкие компоненты, чтобы создать строительные блоки со структурными, связующими и функциональными атрибутами, необходимыми для формирования желаемой структуры», — говорит Ганг.

Строительными блоками являются нити ДНК, которые складываются в механически прочную восьмигранную октаэдрическую форму, которую Ганг называет вокселем, с соединительными элементами в каждом углу, которые связывают воксели между собой.

С помощью ДНК-кодирования можно создать множество вокселей, которые будут соединяться в определённый повторяющийся трёхмерный мотив, подобно тому, как кусочки пазла складываются в сложную картину. Повторяющиеся мотивы, в свою очередь, также собираются параллельно для создания целевой иерархически организованной структуры.

Соавтор Санат Кумар, профессор химической инженерии Колумбийского университета имени Майкла Быховского и Чаро Гонсалес-Быховской, провёл вычислительную проверку подхода Ганга к обратному проектированию.

Чтобы реализовать стратегию обратного проектирования, исследователи должны понять, как создавать эти наноразмерные «пазлы» на основе ДНК с минимальным количеством элементов, необходимых для формирования желаемой структуры.

«Это можно сравнить со сжатием файла. Мы хотим минимизировать объём информации, чтобы самоорганизация ДНК была максимально эффективной», — сказал первый автор Джейсон Кан, научный сотрудник BNL и бывший постдок в группе Гэнга.

Этот алгоритм, получивший название Mapping Of Structurally Encoded aSsembly, или MOSES, похож на программное обеспечение для автоматизированного проектирования в наномасштабе, добавляет Ганг. «Он подскажет, какой воксель ДНК использовать для создания конкретной, произвольно заданной трёхмерной иерархически упорядоченной решётки».

Затем в воксели ДНК можно добавить различные типы нано-«грузов», которые придадут конечной структуре определённые свойства. Например, в экспериментах Ю были внедрены наночастицы золота, которые придали структуре уникальные оптические свойства.

Но, как было показано ранее, в эти каркасы из ДНК можно интегрировать как неорганические, так и биологические нанокомпоненты.

После сборки устройства команда также «минерализовала» его. Они покрыли каркасы кремнеземом, а затем подвергли их нагреванию, чтобы разрушить ДНК, эффективно превратив исходный органический каркас в высокопрочную неорганическую форму.

Ганг продолжает сотрудничать с Кумаром и Ю, чтобы выявить принципы проектирования, которые позволят разрабатывать и собирать сложные конструкции. Он надеется реализовать ещё более сложные проекты, в том числе трёхмерную схему, имитирующую сложную взаимосвязь нейронов в человеческом мозге.

«Мы уверенно движемся к созданию платформы для 3D-нанопроизводства по принципу «снизу вверх». Мы рассматриваем это как «3D-печать следующего поколения» на наноуровне, но теперь возможности самосборки на основе ДНК позволяют нам наладить массовое параллельное производство», — сказал Ганг.

  
Источник www.engineering.columbia.edu

  
Ссылка на исследование: www.nature.com

Больше интересных статей, которые я не успеваю переводить, но которые можно почитать через онлайн-переводчики, можно найти здесь: t.me/murrrzio

murrrzio

You can view and join @murrrzio right away.