Когда мы слышим слово ДНК, первая ассоциация, которая возникает в голове, — генетическая информация, передающаяся от поколения к поколению. Однако ДНК можно использовать не только в биологии, но и в нанотехнологиях. Одно из таких перспективных направлений — ДНК-оригами — технология, позволяющая создавать наноструктуры с молекулярной точностью.
О том, как устроено ДНК-оригами и как может изменить подход к созданию новых материалов и технологий, рассказали учёные Центра инженерной физики Сколтеха Ирина Мартыненко и Анвар Баймуратов.
История
Термин ДНК-оригами впервые был введён американским учёным Полом Ротемундом, специалистом в области нанотехнологий и биоинформатики. В своей работе, опубликованной в журнале Nature, он показал, как можно программируемо сворачивать длинные одноцепочечные молекулы ДНК в сложные двумерные и трёхмерные структуры с использованием коротких вспомогательных фрагментов. Этот метод стал революционным шагом в области ДНК-нанотехнологий и позволил создавать структуры с высокой точностью и потенциально широким спектром применений: от биомедицины до фотоники и электроники.
Как работает ДНК-оригами
Если бы вы захотели сделать статую, то для этого вам пришлось бы использовать каменную плиту, из которой вы бы выбили с помощью молотка и зубила нужный рельеф. Но в мире молекул это не так-то легко сделать, потому что силы, которые могут модифицировать наноматериал, очень сложно применять, особенно в трёхмерном пространстве.
На помощь в таком случае приходит принцип ДНК-оригами, который можно сравнить с конструкторами LEGO, но на молекулярном уровне. В отличие от традиционных методов создания наноструктур, которые используют внешние силы («нисходящий» или «топ-даун» подход), метод ДНК-оригами основан на молекулярной самосборке. Это значит, что отдельные молекулы ДНК соединяются между собой нужным образом за счёт специфических взаимодействий, известных как комплементарность по принципу Уотсона-Крика. Таким образом, можно программировать ДНК так, чтобы она складывалась в определённые формы.
Возможности и перспективы технологии
Одна из ключевых задач, которую решают с помощью ДНК-оригами, — позиционирование наночастиц или молекул в двумерном или трёхмерном пространстве. В данном случае структуры ДНК оригами выступают в качестве универсального «молекулярного адаптера» или каркаса для размещения заданного числа молекул или наночастиц со сверхвысокой точностью. Возможность точного позиционирования молекул помогает создавать новые гибридные материалы. Например, двумерные материалы, такие как графен, обладают уникальными свойствами, но для их контролируемого использования необходимо уметь точно управлять их конфигурацией. ДНК-оригами помогает создавать точечные дефекты, в которых можно локализовать квантовые частицы,, что может привести к прорывам в создании новых типов микросхем и квантовых вычислительных устройств.
Насколько это дорого?
Один из главных вопросов при разработке новых технологий — стоимость их производства. Как отмечают учёные Сколтеха, ДНК-оригами достаточно дешёвая технология. Для создания 10 000 ДНК-чипов размером в 1 см2 потребуется всего около 20 000 рублей. Это делает технологию доступной для широкого использования. Однако, если речь идёт об электронной литографии, то затраты и потребность в специфическом оборудовании возрастает. Речь идёт о чистых комнатах и другом наборе устройств для нанопроизводства.
Альтернатива литографии с помощью ДНК-оригами
Один из главных вызовов в области нанопроизводства — это высокая стоимость и сложность традиционной литографии, используемой при создании микросхем, которая требуют дорогого оборудования, вакуумных камер и сверхточных лазеров. Учёные Сколтеха Ирина Мартыненко и Анвар Баймуратов предложили параллельный подход, который используется при производстве чипов. Использование самосборки на основе ДНК позволяет программировать наноструктуры с высокой точностью без необходимости в сложной литографии, что потенциально может снизить затраты и сделать производство более доступным.