Нужен новый 3D-материал? Постройте его из ДНК

Исследователи из Колумбийского университета разработали новую методологию для целенаправленного создания 3D-наноструктур с помощью самосборки, направляемой ДНК. Этот подход позволяет «строить» сложные трёхмерные организации из нанокомпонентов, подобно наномасштабной версии небоскрёба.

Ключевые возможности:

  • Проектирование 3D-материалов критически важно для новых применений: от управления светом и нейроморфных вычислений до каталитических материалов и биомолекулярных каркасов.
  • Методология описана в двух статьях (Nature Materials и ACS Nano) и включает алгоритм обратного проектирования для других исследователей.

Как это работает:

  • В отличие от традиционных «сверху вниз» методов (например, фотолитографии), которые медленно создают объекты последовательно, новый подход использует биовдохновлённую самосборку «снизу вверх».
  • Основные строительные блоки — ДНК-октаэдры (воксели) с соединителями на каждом углу. Множество вокселей связываются в повторяющиеся 3D-мотивы с помощью кодирования ДНК, подобно пазлу.
  • Алгоритм MOSES (Mapping Of Structurally Encoded aSsembly) действует как наномасштабное ПО CAD, определяя, какие ДНК-воксели использовать для создания произвольно заданной 3D-решётки.
  • Внутрь ДНК-каркасов можно поместить различный нано-«груз» (например, золотые наночастицы), чтобы придать конечной структуре нужные свойства (оптические, магнитные, электрические).
  • Процесс сборки происходит параллельно в водных растворах, что экономит время и ресурсы по сравнению с традиционными методами и является экологически безопасным.

Демонстрационные структуры и применение:

Исследователи создали и охарактеризовали с помощью синхротронного рентгеновского рассеяния и электронной микроскопии несколько структур:

  1. Кристаллоподобную структуру из одномерных цепочек и двумерных слоёв.
  2. Аналог материалов, используемых в солнечных панелях.
  3. Кристалл со спиральным закручиванием.
  4. Структуру для управления светом (для проекта по созданию оптического компьютера).

Дальнейшие шаги:

После сборки каркасы можно минерализовать (покрыть кремнезёмом и удалить ДНК нагреванием), превращая органический шаблон в прочную неорганическую форму. Учёные продолжают работу над созданием ещё более сложных дизайнов, включая 3D-схемы, имитирующие сложную связность человеческого мозга.

Вывод: Этот подход представляет собой «3D-печать следующего поколения» в наномасштабе, где сила ДНК-самосборки позволяет осуществлять массовое параллельное производство.