"Теперь мы можем создавать сложные трехмерные организации из самособирающихся нанокомпонентов, своего рода наноразмерную версию Эмпайр Стейт Билдинг", - сказал Ган, профессор химической инженерии, прикладной физики и материаловедения в Columbia Engineering и руководитель группы мягких и био-наноматериалов Центра функциональных наноматериалов в Колумбийском университете. Брукхейвенская национальная лаборатория.

"Возможности по изготовлению 3D-наноразмерных материалов по дизайну имеют решающее значение для многих новых применений, начиная от управления светом и заканчивая нейроморфными вычислениями, а также от каталитических материалов до биомолекулярных каркасов и реакторов", - сказал Ган.

В двух статьях, одна из которых опубликована 9 июля в Nature Materials, а вторая - 11 апреля в ACS Nano, Ган и его коллеги описывают новую методологию изготовления целевых трехмерных наноразмерных структур с помощью самосборки, которая может найти применение в различных приложениях, и они предоставляют алгоритм проектирования, которому могут следовать другие. костюм.

И все это основано на самых основных биомолекулярных строительных блоках: ДНК.

Универсальная установка для новых материалов

Когда дело доходит до мелкосерийного производства микроэлектроники, традиционные подходы основаны на стратегиях "сверху вниз". Одним из распространенных подходов является фотолитография, которая использует мощный свет и сложные трафареты для вытравливания контуров. Но основные методы литографии не справляются со сложными трехмерными структурами, в то время как аддитивное производство, более известное как 3D-печать, пока не может создавать элементы на наноуровне. С точки зрения рабочего процесса, оба метода создают каждую функцию по очереди, последовательно. Это изначально медленный процесс создания 3D-объектов.

Опираясь на опыт работы с биосистемами, Ганг создает 3D-материалы и устройства "снизу вверх" с помощью процессов самосборки, которыми управляет ДНК. Он совершенствовал свой метод в сотрудничестве с другими учеными, создавая, например, чрезвычайно малогабаритную электронику, необходимую им для работы.

Два месяца назад он и его бывший студент Аарон Майкельсон, ныне штатный научный сотрудник Центра функциональных наноматериалов Брукхейвенской национальной лаборатории, представили прототип сотрудникам Университета Миннесоты, заинтересованным в создании 3D-датчиков света, интегрированных в микрочипы. Они создали датчики, выращивая ДНК-каркасы на чипе, а затем покрывая их светочувствительным материалом.

Это устройство было лишь первым из многих. В своей последней статье в Nature Materials Ган и его команда разрабатывают стратегию обратного проектирования для создания желаемых трехмерных структур из набора наноразмерных компонентов ДНК и наночастиц. В исследовании представлены четыре дополнительных применения их подхода "ДНК оригами" к дизайну материалов: кристаллоподобная структура, состоящая из одномерных нитей и двумерных слоев; имитация материалов, обычно используемых в солнечных панелях; другой кристалл, который вращается по спирали; и, для сотрудника Наньфан Ю., профессор прикладной физики в Columbia Engineering, разработал структуру, которая будет особым образом отражать свет, для достижения своей цели - однажды создать оптический компьютер.

Используя передовые методы определения характеристик, такие как методы рассеяния рентгеновских лучей на основе синхротрона и электронной микроскопии, в Колумбийской и Брукхейвенской национальных лабораториях, команда подтвердила, что полученные структуры соответствуют их проектам, и выявила разработанные соображения для повышения точности структуры. Каждая из этих уникальных конструкций была собрана в колодцах для воды в лаборатории Gang. Этот тип формирования материала параллелен по своей природе, поскольку компоненты соединяются в процессе сборки, что означает значительную экономию времени и средств при 3D-изготовлении по сравнению с традиционными методами. Процесс изготовления также безвреден для окружающей среды, поскольку сборка происходит в воде.

"Это платформа, которая применима ко многим материалам с самыми разными свойствами: биологическими, оптическими, электрическими, магнитными", - сказал Ган. Конечный результат просто зависит от дизайна.

Дизайн ДНК, упрощенный

ДНК сворачивается предсказуемо, поскольку четыре составляющие ее нуклеиновые кислоты могут соединяться только в определенных комбинациях. Но когда желаемая структура содержит миллионы, если не миллиарды фрагментов, как вы подбираете правильную начальную последовательность?

Ган и его коллеги решают эту проблему с помощью обратного подхода к структурному проектированию. "Если мы знаем большую структуру с функцией, которую мы хотим создать, мы можем разделить ее на более мелкие компоненты, чтобы создать наши строительные блоки со структурными, связующими и функциональными атрибутами, необходимыми для формирования желаемой структуры", - сказал Ган.

Строительные блоки представляют собой нити ДНК, которые складываются в механически прочную восьмигранную форму, которую Gang называет вокселом, с соединителями в каждом углу, которые связывают каждый воксель вместе. Многие вокселы могут быть сконструированы таким образом, чтобы соединяться в определенный повторяющийся 3D-мотив с использованием кодирования ДНК, подобно тому, как кусочки головоломки образуют сложную картинку. Повторяющиеся мотивы, в свою очередь, также собираются параллельно для создания целевой иерархически организованной структуры. Соавтор Санат Кумар, профессор химической инженерии Майкла Быховского и Чаро Гонсалес-Быховского в Колумбийском университете, провел вычислительную проверку подхода Gang к обратному проектированию.

Чтобы реализовать обратную стратегию проектирования, исследователи должны выяснить, как сконструировать эти наноразмерные "кусочки головоломки" на основе ДНК с минимальным количеством, необходимым для формирования желаемой структуры. "Вы можете думать об этом как о сжатии файла. Мы хотим свести к минимуму объем информации, чтобы самосборка ДНК была наиболее эффективной", - сказал первый автор Джейсон Кан, штатный научный сотрудник BNL и ранее постдок в Gang's group. Этот алгоритм, получивший название Mapping Of Structurally Encoded aSsembly, или MOSES, похож на программное обеспечение САПР наноразмерного масштаба, добавляет Ганг. "Это подскажет вам, какой воксель ДНК использовать для создания конкретной, произвольно определенной трехмерной иерархически упорядоченной решетки".

Оттуда вы можете добавлять различные типы нано-"груза" внутрь вокселов ДНК, которые придадут конечной структуре определенные свойства. Например, наночастицы золота были внедрены для придания уникальных оптических свойств, как было продемонстрировано в экспериментах Ю. Но, как было показано ранее, в эти ДНК-каркасы могут быть интегрированы как неорганические, так и биологически полученные нанокомпоненты. Как только устройство было собрано, команда также "минерализовала" его. Они покрыли каркасы кремнеземом, а затем подвергли их воздействию тепла для разложения ДНК, эффективно преобразовав исходные органические каркасы в очень прочную неорганическую форму.

Ганг продолжает сотрудничать с Кумаром и Ю, чтобы раскрыть принципы проектирования, которые позволят проектировать и собирать сложные конструкции, надеясь реализовать еще более сложные конструкции, включая 3D-схему, предназначенную для имитации сложных связей человеческого мозга.

"Мы успешно продвигаемся по пути создания восходящей платформы для 3D-нанопроизводства. Мы рассматриваем это как "3D-печать следующего поколения" на наноуровне, но теперь мощь самосборки на основе ДНК позволяет нам наладить массовое параллельное производство", - сказал Ган.