Двойная спираль ДНК выполняет двойную работу в сборке массивов наночастиц

Учёные из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и их коллеги использовали синтетические цепочки ДНК для наномасштабного конструирования двумя способами: они применили верёвкоподобные конфигурации двойной спирали ДНК для создания жёсткого геометрического каркаса и добавили выступающие одноцепочечные фрагменты ДНК для «склеивания» наночастиц на заданных местах.

Метод, описанный в журнале Nature Nanotechnology, позволил получать предсказуемые кластеры и массивы наночастиц — важный шаг к созданию материалов с заданной структурой и функциями для применения в энергетике, оптике и медицине.

«Эти массивы наночастиц с предсказуемой геометрической конфигурацией в некотором роде аналогичны молекулам, состоящим из атомов», — сказал физик Брукхейвена Олег Ганг, руководивший проектом в Центре функциональных наноматериалов (CFN) лаборатории. «В то время как атомы образуют молекулы на основе природы своих химических связей, не существовало простого способа навязать такую конкретную пространственную схему связывания наночастицам. Именно эту проблему решает наш метод».

Используя новый метод, учёные потенциально могут создавать упорядоченные расположения различных типов наночастиц, чтобы использовать коллективные или синергетические эффекты. Примерами могут служить материалы, регулирующие поток энергии, вращающие свет или доставляющие биомолекулы.

Учёные продемонстрировали технику, сконструировав архитектуры наночастиц с использованием октаэдрического каркаса, где частицы располагались в точных позициях на каркасе в соответствии со специфичностью кодирования ДНК. Конструкции включали два разных расположения одного и того же набора частиц, где каждая конфигурация имела различные оптические характеристики. Они также использовали геометрические кластеры в качестве строительных блоков для более крупных массивов, включая линейные цепочки и двумерные плоские листы.

Детали сборки

Этот подход использует две ключевые характеристики молекулы ДНК: форму двойной спирали и естественную тенденцию цепочек с комплементарными основаниями (A, T, G, C) соединяться точным образом.

Сначала учёные создали пучки из шести молекул двойной спирали, затем собрали четыре таких пучка вместе, чтобы получить стабильный, довольно жёсткий строительный материал — подобно тому, как отдельные волокнистые нити сплетаются в очень прочную верёвку. Затем они использовали эти верёвкоподобные балки для формирования каркаса трёхмерных октаэдров, «сшивая» линейные цепи ДНК вместе сотнями коротких комплементарных цепочек ДНК.

Чтобы сделать возможным «приклеивание» наночастиц к 3D-каркасам, учёные сконструировали каждый из исходных шестиспиральных пучков так, чтобы у одной спирали на обоих концах выступал дополнительный одноцепочечный фрагмент ДНК. При сборке в 3D-октаэдры каждая вершина каркаса имела несколько таких «липких концов» для связывания с объектами, покрытыми комплементарными цепочками ДНК.

«Когда наночастицы, покрытые одноцепочечными фрагментами, смешивают с октаэдрами из ДНК-оригами, "свободные" кусочки ДНК находят друг друга, и основания могут спариваться согласно правилам комплементарного кода ДНК. Таким образом, частицы со специфичным ДНК-кодом находят своё соответствующее спроектированное место на вершинах октаэдра», — объяснил Ганг.

Учёные могут изменять то, что связывается с каждой вершиной, меняя последовательности ДНК на выступающих фрагментах. В одном эксперименте они закодировали одинаковую последовательность на всех фрагментах октаэдра и присоединили цепочки с комплементарной последовательностью к золотым наночастицам. Результат: одна золотая наночастица присоединилась к каждой из шести вершин октаэдра.

В дополнительных экспериментах учёные изменили последовательность на некоторых вершинах и использовали комплементарные цепочки на частицах разного типа, показав, что могут направлять сборку и расположение частиц очень точным образом. В одном случае они создали два разных расположения одних и тех же трёх пар частиц разного размера, получив продукты с разными оптическими свойствами. Они даже смогли использовать фрагменты ДНК на выбранных вершинах, чтобы соединять октаэдры конец в конец, формируя цепочки, и в 2D-массивы, формируя листы.

Визуализация массивов

Подтверждение расположения частиц и структур было серьёзной задачей, поскольку наночастицы и молекулы ДНК, составляющие каркас, имеют очень разную плотность. Некоторые методы микроскопии показывали только частицы, другие искажали 3D-структуры.

Чтобы увидеть и частицы, и каркасы оригами, учёные использовали криоэлектронную микроскопию (cryo-EM) под руководством биолога Брукхейвенской лаборатории и Университета Стоуни-Брук Хуилиня Ли, эксперта в этой технике, и Тонга Вана, второго ведущего соавтора статьи. Им пришлось вычитать информацию из изображений, чтобы «увидеть» компоненты разной плотности отдельно, а затем объединить информацию с помощью 3D-реконструкции одиночных частиц и томографии для получения итоговых изображений.

«Cryo-EM сохраняет образцы в состояниях, близких к нативным, и обеспечивает разрешение, близкое к нанометровому», — сказал Ван. «Мы показываем, что cryo-EM можно успешно применять для исследования 3D-структуры ДНК-наночастичных кластеров».

Эти изображения подтверждают, что этот подход к направленному размещению наночастиц на ДНК-кодированных вершинах молекулярных каркасов может быть успешной стратегией для создания новых наноматериалов.