Золотой стандарт: учёные используют наночастицы для создания 3D-нанотрубок из ДНК

Исследователи из Университета штата Аризона Хао Ян и Ян Лю проектируют и собирают сложные структуры в почти невообразимо малом масштабе. Их материал — молекула ДНК с двойной спиралью, универсальный строительный блок с почти безграничным потенциалом.

В выпуске журнала Science от 2 января 2009 года Ян и Лю, исследователи из Института биодизайна ASU и преподаватели кафедры химии и биохимии, впервые демонстрируют трёхмерную структуру нанотрубок, колец и спиралей из ДНК, диаметром в несколько стотысячных долей человеческого волоса. Эти нанотрубки ДНК и другие синтетические наноструктуры могут вскоре найти применение в новом поколении сверхмалых электронных и биомедицинских устройств.

Ян и Лю работают в быстро развивающейся области структурной ДНК-нанотехнологии. Они используют замечательное свойство молекулы ДНК к самосборке. Когда ленточные цепи молекулы сближаются, они соединяются друг с другом, как полоски липучки, согласно простым правилам спаривания их четырёх химических оснований (A, C, T и G).

В своих исследованиях Ян вдохновляется наноразмерной изобретательностью природного мира: «Одноклеточные существа, такие как океанические диатомеи, содержат самособирающиеся белковые архитектуры».

Работа Яна и Лю в Science отвечает на один из фундаментальных вызовов в нанотехнологии и материаловедении — создание молекулярных форм в трёх измерениях. Для этого команда использует золотые наночастицы, которые размещаются на одноцепочечной ДНК, заставляя гибкие массивы молекулярных «плиток» изгибаться от наночастиц, сворачиваясь в замкнутые петли или образуя спирали или вложенные кольца диаметром примерно от 30 до 180 нанометров.

Золотые наночастицы, заставляющие цепи ДНК изгибаться, создают силу, известную как «стерическое препятствие», величина которой зависит от размера используемой частицы. Используя это стерическое препятствие, Ян и Лю впервые показали, что нанотрубки ДНК можно целенаправленно закручивать в замкнутые кольца с высоким выходом.

• При использовании 5-нанометровых частиц золота более слабое стерическое препятствие направляло «плитки» ДНК к скручиванию и соединению с комплементарными соседними сегментами, часто образуя спирали разного диаметра в дополнение к замкнутым кольцам.
• 10-нанометровая золотая частица оказывала большее стерическое препятствие, вызывая более жёсткое скручивание, которое в основном производило замкнутые трубки.

Ян подчёркивает, что частица не только участвует в процессе самосборки как направляемый материал, но и как активный агент, индуцирующий и направляющий формирование нанотрубки.

С помощью Анчи Ченг и Джонатана Браунелла из Научно-исследовательского института Скриппса они использовали метод визуализации, известный как электронная криотомография, чтобы получить первые изображения неуловимой 3D-архитектуры нанотрубок ДНК. «Вы быстро замораживаете образец в стекловидном льду, что сохраняет нативную конформацию структуры», — объясняет он. Последующая визуализация под различными углами наклона позволяет восстановить трёхмерную наноструктуру, причём золотые частицы обеспечивают достаточную электронную плотность для чёткой визуализации.

Нанотрубки ДНК вскоре будут готовы присоединиться к своим «кузенам» — углеродным нанотрубкам, обеспечивая гибкие, упругие и управляемые структуры на молекулярном уровне. Расширение контроля над 3D-архитектурами заложит основу для будущих применений в фотометрии, фотовольтаике, сенсорных экранах и гибких дисплеях, а также для далеко идущих биомедицинских достижений.

«Способность строить трёхмерные структуры посредством самосборки действительно захватывает, — говорит Ян. — Это массово-параллельный процесс. Вы можете одновременно производить миллионы или триллионы копий».

Ян и Лю полагают, что контролируемые трубчатые наноструктуры с наночастицами могут быть применены для проектирования электрических каналов для межклеточной коммуникации или использованы в конструкции различных наноэлектрических устройств.