Een nieuw 3D -materiaal nodig? Bouw het met DNA

Toen het Empire State -gebouw werd gebouwd, kwamen de 102 verhalen uit het centrum van één stukje voor één, waarbij elk individueel element combineert om 40 jaar lang het hoogste gebouw ter wereld te worden. Uptown in Columbia, Oleg Gang en zijn Chemical Engineering Lab bouwen geen Art Deco -architectuur; Hun oriëntatiepunten zijn ongelooflijk kleine apparaten gebouwd uit nanoscopische bouwstenen die zich regelen.

“We kunnen nu de complexe voorgeschreven 3D-organisaties bouwen van zelf-geassembleerde nanocomponenten, een soort nanoschaalversie van de Empire State Building,” zei Gang, professor in chemische technologie en van toegepaste fysica en materialenwetenschap aan Columbia Engineering en leider van het Centrum voor functionele nanomaterialen ‘Soft en Bio Nanomaterials-groep bij Bookhaven National Laboratory.

“De mogelijkheden om 3D -nanoschaalmaterialen te produceren op ontwerp zijn van cruciaal belang voor veel opkomende toepassingen, variërend van lichte manipulatie tot neuromorf computergebruik en van katalytische materialen tot biomoleculaire steigers en reactoren,” zei Gang.

In twee artikelen, één in Natuurmaterialen en een seconde in ACS nanoGang en zijn collega’s beschrijven een nieuwe methode voor het fabriceren van gerichte 3D-nanoschaalstructuren via zelfassemblage die gebruik kunnen vinden in verschillende toepassingen, en ze bieden een ontwerpalgoritme voor anderen om te volgen.

En het is allemaal gebaseerd op de meest elementaire biomoleculaire bouwstenen: DNA.

Eén potstop voor nieuwe materialen

Als het gaat om kleinschalige fabricage van micro-elektronica, zijn conventionele benaderingen gebaseerd op top-down strategieën. Een veel voorkomende benadering is fotolithografie, die krachtige lichte en ingewikkelde stencils gebruikt om circuits te etsen. Maar reguliere lithografische technieken worstelen met complexe, driedimensionale structuren, terwijl additieve productie, beter bekend als 3D-printen, nog geen functies op het nanoschaal kan fabriceren. Wat de workflow betreft, fabriceren beide methoden elk functie één voor één in serie. Dit is een intrinsiek langzaam proces voor het bouwen van 3D -objecten.

Gang neemt zijn aanwijzingen uit bio-systemen en bouwt 3D-materialen en apparaten van onder op via zelfassemblageprocessen die worden geleid door DNA. Hij heeft zijn methode verfijnd via samenwerkingen met andere wetenschappers om bijvoorbeeld extreem kleine elektronica te bouwen die ze nodig hebben voor hun werk.

Twee maanden geleden, hij en zijn voormalige student, Aaron Michelson, nu een stafwetenschapper bij het Center for Functional Nanomaterials van Brookhaven National Laboratory, leverde een prototype Voor medewerkers aan de Universiteit van Minnesota die geïnteresseerd zijn in het maken van 3D -lichtsensoren die zijn geïntegreerd in microchips. Ze bouwden de sensoren door DNA-steigers op een chip te laten groeien en vervolgens te coaten met lichtgevoelig materiaal.

Dat apparaat was slechts het eerste van vele. In hun laatste paper in NatuurmaterialenGang en zijn team stellen een omgekeerde ontwerpstrategie op voor het creëren van de gewenste 3D -structuren uit een set DNA -componenten op nanoschaal en nanodeeltjes.

De studie presenteert vier aanvullende toepassingen van hun “DNA-origami” -benadering van materiaalontwerp: een kristalachtige structuur bestaande uit eendimensionale snaren en tweedimensionale lagen; een nabootsing van de materialen die vaak worden gevonden in zonnepanelen; een ander kristal dat draait in een spiraalvormige werveling; en voor medewerker Nanfang Yu, professor toegepaste fysica aan Columbia Engineering, een structuur die op bepaalde manieren licht weerspiegelt voor zijn doel om op een dag een optische computer te creëren.

Met behulp van geavanceerde karakteriseringstechnieken, zoals synchrotron-gebaseerde röntgenverstrooiing en elektronenmicroscopiemethoden, bij Columbia en Brookhaven National Laboratories, bevestigde het team dat de resulterende structuren overeenkwamen met hun ontwerpen en de ontworpen overwegingen onthuld voor het verbeteren van de betrouwbaarheid van de structuur.

Elk van deze unieke structuren verzamelde zich in waterputten in het laboratorium van de bende. Dit type materiaalvorming is parallel van aard, omdat de componenten tijdens het assemblageproces samenkomen, wat betekent dat aanzienlijke tijd- en kostenbesparingen voor 3D-fabricage zijn vergeleken met traditionele methoden. Het fabricageproces is ook milieuvriendelijk omdat de montage in water plaatsvindt.

“Dit is een platform dat van toepassing is op veel materialen met veel verschillende eigenschappen: biologisch, optisch, elektrisch, magnetisch,” zei Gang. Het eindresultaat hangt gewoon af van het ontwerp.

DNA -ontwerp, gemakkelijk gemaakt

DNA vouwt voorspelbaar, omdat de vier nucleïnezuren die het vormen alleen in bepaalde combinaties kunnen koppelen. Maar wanneer de gewenste structuur miljoenen bevat, zo niet miljarden stukken, hoe bedenk je dan met de juiste startreeks?

Gang en zijn collega’s lossen deze uitdaging op met een omgekeerde structurele ontwerpbenadering. “Als we de grote structuur kennen met de functie die we willen creëren, kunnen we dat ontleden in kleinere componenten om onze bouwstenen te maken met structurele, bindende en functionele attributen die nodig zijn om de gewenste structuur te vormen,” zei Gang.

De bouwstenen zijn DNA-strengen die in een mechanisch robuuste achtzijdige octaëdrische vorm vouwen, die bende een voxel noemt, met connectoren in elke hoek die elke voxel aan elkaar verbinden. Veel voxels kunnen worden ontworpen om te koppelen aan een bepaald repetitief 3D -motief met behulp van DNA -codering, vergelijkbaar met hoe puzzelstukken een complex beeld vormen.

De repetitieve motieven worden op hun beurt ook parallel geassembleerd om de beoogde hiërarchisch georganiseerde structuur te creëren. Medewerkers Sanat Kumar, de Michael Bykhovsky en Charo Gonzalez-Bykhovsky hoogleraar chemische engineering aan Columbia, zorgden voor een computationele verificatie van de omgekeerde ontwerpbenadering van Gang.

Om de omgekeerde ontwerpstrategie mogelijk te maken, moeten de onderzoekers erachter komen hoe ze deze op DNA gebaseerde “puzzelstukken op nanoschaal” kunnen ontwerpen met het minimale aantal dat nodig is om de gewenste structuur te vormen.

“Je kunt het bedenken zoals het comprimeren van een bestand. We willen de hoeveelheid informatie voor het zelfassemblage van DNA minimaliseren om het meest efficiënt te zijn”, zei eerste auteur Jason Kahn, een stafwetenschapper bij BNL en eerder een postdoc bij Gang’s Group.

Nagesynchroniseerd in kaart brengen van structureel gecodeerde assemblage, of Mozes, dit algoritme is als Nano-schaal CAD-software, voegt Gang toe. “Het zal u vertellen wat DNA Voxel u moet gebruiken om een ​​bepaald, willekeurig gedefinieerd 3D -hiërarchisch geordend rooster te maken.”

Van daaruit kunt u verschillende soorten nano- “vracht” toevoegen aan de DNA-voxels die de uiteindelijke structuur met bepaalde eigenschappen zullen doordringen. Gouden nanodeeltjes waren bijvoorbeeld ingebed om unieke optische eigenschappen te geven, zoals aangetoond in de experimenten van Yu. Maar, zoals eerder getoond, kunnen zowel anorganische als van bio-afgeleide nanocomponenten worden geïntegreerd in deze DNA-steigers.

Nadat het apparaat was geassembleerd, “gemineraliseerde” het team het ook. Ze coaten steigers met silica en stelden ze vervolgens bloot aan warmte om het DNA te ontbinden, waardoor de oorspronkelijke organische steiger effectief omzetten in een zeer robuuste anorganische vorm.

Bende blijft samenwerken met Kumar en Yu om ontwerpprincipes te ontdekken die de engineering en assemblage van complexe structuren mogelijk maken, in de hoop nog meer gecompliceerde ontwerpen te realiseren, waaronder een 3D -circuit bedoeld om de complexe connectiviteit van het menselijk brein na te bootsen.

“We zijn goed op weg om een ​​bottom-up 3D Nanoman Manufacturing-platform op te zetten. We zien dit als een ‘volgende generatie 3D-printen’ op Nanoschaal, maar nu stelt de kracht van op DNA gebaseerde zelfassemblage ons in staat om massaal parallelle fabricage te vestigen,” zei Gang.