Представьте себе, что вы можете «напечатать» крохотный небоскрёб, используя вместо стали ДНК. Именно этим занимаются исследователи из Колумбии и Брукхейвена — создают сложные трёхмерные наноструктуры, используя предсказуемое свёртывание нитей ДНК. В их новом методе дизайна для сборки наноразмерных устройств параллельно используются вокселоподобные сборочные элементы и алгоритм под названием MOSES, а области применения варьируются от оптических вычислений до био-каркасов. В отличие от традиционной литографии или 3D-печати этот процесс самосборки происходит исключительно в воде, и он может произвести революцию в нанопроизводстве.
Когда строилось Эмпайр Стейт Билдинг, его 102 этажа вырастали над центральной частью города по одному за раз, и его отдельные элементы складывались, чтобы на 40 лет превратиться в самое высокое здание мира. Олег Гэнг и его лаборатория химического инжиниринга, расположенная на окраине города в Колумбийском университете, не занимаются архитектурой в стиле ар-деко; их достопримечательности — это невероятно маленькие устройства, построенные из самоорганизующихся наноскопических деталей.
«Сейчас мы можем построить сложные заранее спроектированные 3D-структуры из самособирающихся нанокомпонентов, вроде наномасштабной версии Эмпайр Стейт», — говорит Гэнг, профессор химического инжиниринга и прикладной физики и материаловедения Колумбийской школы инжиниринга и руководитель Группы мягких и био- наноматериалов Центра функциональных наноматериалов Национальной лаборатории в Брукхейвене.
«Возможности по целенаправленному производству наноразмерных 3D-материалов критически важны для множества новых приложений, от манипуляции светом до нейроморфных вычислений, и от катализаторов до биомолекулярных каркасов и реакторов», – говорит Гэнг.
В двух статьях, одна из которых вышла 9 июля в журнале Nature Materials, а вторая – 11 апреля в ASC Nano, Гэнг и его коллеги описывают новую методологию производства целевых наноразмерных 3D-структур путём самосборки, которая может найти применение в ряде приложений, и они предоставляют алгоритм дизайна, чтобы другие последовали их примеру.
Универсальный метод создания новых материалов
Когда дело касается производства небольшого количества микроэлектроники, стандартные подходы основаны на стратегии сверху-вниз. Один из общепринятых подходов — это фотолитография, где для гравировки микросхем используются мощные источники света и сложные трафареты. Но мэйнстримовые литографические методы неудобны для создания сложных трёхмерных структур, в то время как в аддитивном производстве, более известном под названием 3D-печать, пока что невозможно создавать наномасштабные детали. Что касается производственного процесса, в обоих методах детали создаются одна за другой, серийно. Для создания трёхмерных объектов это — принципиально медленный процесс.
Пользуясь подсказками своих биосистем, Гэнг создаёт 3D-наноматериалы и устройства снизу-вверх с помощью процессов самосборки, управляемых ДНК. Сотрудничая с другими учёными, он оттачивает этот метод, чтобы создавать, например, крайне миниатюрные электронные устройства, которые необходимы им для работы.
Два месяца назад он со своим бывшим учеником, Аароном Михельсоном, ныне сотрудником Центра функциональных материалов Брукхейвенской национальной лаборатории, создал прототип для коллег из Университета Миннесоты, заинтересованных в создании световых 3D-сенсоров, интегрированных в микрочипы. Они создают сенсоры, выращивая каркасы из ДНК на чипе, а затем покрывая их светочувствительным материалом.
Это устройство было первым из многих. В своей последней работе в Nature Materials Гэнг с коллегами реализуют обратную стратегию дизайна для создания целевых 3D-наноструктур из набора наноразмерных ДНК-компонентов и наночастиц. Это исследование представляет четыре дополнительных способа применения их подхода к разработке материалов на основе «ДНК-оригами»: кристаллоподобная структура, состоящая из одноразмерных струн и двухразмерных слоёв; имитация материалов, обычно используемых в солнечных панелях; ещё один кристалл, который вращается по спирали; и, для коллеги Наньфана Юя, профессора прикладной физики в Школе инжиниринга Колумбийского университета, структуру, особым образом отражающую свет, чтобы он когда-нибудь пришёл к реализации своей цели и создал оптический компьютер.
Используя передовые методы характеризации вроде синхротронного рассеяния электронных лучей и электронной микроскопии, учёные подтвердили, что получаемые в результате структуры соответствуют их проектам и поделились своими соображениями по улучшению качества структуры. Все эти уникальные структуры самостоятельно собирались в колодцах лаборатории Гэнга. Этот способ формирования материалов параллелен по своей природе, поскольку компоненты соединяются в процессе сборки, что означает существенную экономию времени и средств при изготовлении по сравнению с традиционными методами. Процесс изготовления также экологически безвреден, так как сборка происходит в воде.
«Это — платформа, применимая к множеству материалов с множеством различных свойств: биологических, оптических, электрических, магнитных, — говорит Гэнг. — Конечный результат зависит только от дизайна.
ДНК-дизайн — легко!
ДНК сворачивается предсказуемо, так как четыре нуклеиновые кислоты, из которых она состоит, могут образовывать пары только в определённых комбинациях. Но, когда желаемая структура состоит из миллионов, если не миллиардов деталей, где находится правильная начальная последовательность для сборки?
Гэнг и его коллеги решили эту проблему с помощью подхода обратного структурного дизайна. «Если нам известна большая структура с функцией, которую мы хотим создать, мы можем разложить её на более мелкие компоненты, чтобы создать строительные элементы со структурными, соединительными и функциональными атрибутами, необходимыми для образования желаемой структуры», — говорит Гэнг.
Строительные элементы — это нити ДНК, сворачивающиеся в механически прочную восьмистороннюю фигуру октаэдра, которую Гэнг называет вокселом, с креплениями в каждом углу, которые соединяют вокселы. Можно разработать много вокселов, чтобы объединить их в определённый повторяющийся 3D-фрагмент используя кодирование ДНК, подобно тому, как собирают сложную картину из кусочков мозаики. Повторяющиеся фрагменты, в свою очередь, также собираются параллельно, чтобы создать целевую иерархически организованную структуру. Коллега Санат Кумар, профессор химического инжиниринга Колумбийского университета, обеспечил математическое подтверждение использованного Гэнгом подхода обратного дизайна.
Чтобы реализовать стратегию обратного дизайна, исследователи должны выяснить как спроектировать эти наноразмерные «кусочки пазла» на основе ДНК, чтобы сформировать желаемую структуру с минимальным количеством элементов. «Можете сравнить это со сжатием файла. Мы хотим минимизировать количество информации, чтобы самосборка ДНК была максимально экономичной», — говорит первый автор Джейсон Кан, штатный научный сотрудник БНЛ, а в прошлом — постдок в группе Гэнга.
«Алгоритм, который окрестили MOSES (Mapping Of Structurally Encoded aSsembly), похож на CAD-программу наномасштаба, добавляет Гэнг. — Я скажу вам какой нужно использовать ДНК-воксел, чтобы получился определённый, произвольно заданный, иерархически упорядоченный 3D-каркас».
С этого момента вы можете добавлять разнообразные виды нано-«грузов» внутрь ДНК-вокселов, которые наделят конечную структуру определёнными свойствами. Например, наночастицы золота внедрялись, чтобы получить уникальные оптические свойства, как было продемонстрировано в экспериментах Юя. Но, как было показано ранее, в эти ДНК-каркасы можно интегрировать нанокомпоненты как неорганического свойства, так и полученные биологическим образом. Как только устройство было собрано, учёные также «минерализовали» его. Они покрыли каркас кремнием, затем подвергли его высокой температуре, чтобы разложить ДНК, в итоге преобразовав изначальный органический каркас в высокопрочную неорганическую форму.
Гэнг продолжает сотрудничество с Кумаром и Юем, чтобы раскрыть принципы дизайна, которые позволят разрабатывать и собирать сложные структуры, надеясь реализовать ещё более сложные дизайны, включая 3D микросхему, цель которой — сымитировать сложную структуру связей человеческого мозга.
«Мы хорошо продвинулись в создании платформы 3D-нанопроизводства снизу-вверх. Мы рассматриваем это как «3D-печать следующего поколения» в наномасштабе, но теперь возможности самосборки на основе ДНК позволяют нам реализовывать высокопараллельное производство», — говорит Гэнг.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Школой проектирования и прикладной науки Колумбийского университета.
Вам также может быть интересно: