Nieuwe methode om diamantroosters en andere kristallen te ontwerpen uit microscopisch kleine bouwstenen

Een indrukwekkende reeks architectonische vormen kan worden geproduceerd uit de populaire in elkaar grijpende bouwstenen die bekend staan ​​als LEGOS. Het enige dat nodig is, is de fantasie van een kind om een ​​vrijwel oneindige verscheidenheid aan complexe vormen te construeren.

In een nieuwe studie die in het tijdschrift verschijnt Fysieke beoordelingsbrievenbeschrijven onderzoekers een techniek om LEGO-achtige elementen te gebruiken op de schaal van een paar miljardsten van een meter. Verder zijn ze in staat om deze ontwerpelementen zelf in elkaar te zetten, waarbij elk LEGO-stuk zijn juiste partner identificeert en in een precieze volgorde wordt gekoppeld om de gewenste nanostructuur te voltooien.

Hoewel de techniek die in de nieuwe studie wordt beschreven, op de computer wordt gesimuleerd, is de strategie van toepassing op zelfassemblagemethoden die gebruikelijk zijn op het gebied van DNA-nanotechnologie. Hier bestaat het equivalent van elk LEGO-stuk uit een nanostructuur gemaakt van DNA, de beroemde moleculaire opslagplaats van onze genetische code. De vier nucleotiden waaruit het DNA bestaat – gewoonlijk aangeduid met A, C, T en G – kleven aan elkaar volgens een betrouwbare regel: A-nucleotiden paren altijd met Ts en C-nucleotiden met Gs.

Door basenparingseigenschappen te gebruiken, kunnen onderzoekers zoals Petr Sulc, de corresponderende auteur van de nieuwe studie, DNA-nanostructuren ontwerpen die vorm kunnen krijgen in een reageerbuis, alsof ze op de automatische piloot staan.

“Het mogelijke aantal manieren om interacties tussen de bouwstenen te ontwerpen is enorm, iets wat een ‘combinatorische explosie’ wordt genoemd”, zegt Sulc. “Het is onmogelijk om elk mogelijk bouwsteenontwerp afzonderlijk te controleren en te zien of het zichzelf kan assembleren tot de gewenste structuur. In ons werk bieden we een nieuw algemeen kader dat efficiënt de ruimte van mogelijke oplossingen kan doorzoeken en degene kan vinden die zelf -assemblage in de gewenste vorm en vermijdt andere ongewenste assemblages. “

Sulc is een onderzoeker bij het Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics en ASU’s School of Molecular Sciences (SMS). Hij wordt vergezeld door zijn collega Lukáš Kroc, samen met internationale medewerkers Flavio Romano en John Russo uit Italië.

De nieuwe techniek markeert een belangrijke springplank in het zich snel ontwikkelende veld van DNA-nanotechnologie, waar zelf-geassembleerde vormen hun weg vinden in alles, van pincetten op nanoschaal tot DNA-robots die op kanker jagen.

Ondanks indrukwekkende vorderingen hebben constructiemethoden die berusten op moleculaire zelfassemblage te maken gehad met onbedoelde hechtingen van bouwmateriaal. De uitdagingen groeien met de complexiteit van het beoogde ontwerp. In veel gevallen staan ​​onderzoekers perplex over de vraag waarom bepaalde structuren zichzelf samenstellen uit een bepaalde set elementaire bouwstenen, aangezien de theoretische grondslagen van deze processen nog steeds slecht worden begrepen.

Om het probleem het hoofd te bieden, hebben Sulc en collega’s een slim kleurcoderingssysteem uitgevonden dat erin slaagt de basenparen te beperken tot alleen die welke voorkomen in de ontwerpblauwdruk voor de uiteindelijke structuur, waarbij alternatieve basenparen verboden zijn.

Het proces werkt door middel van een op maat ontworpen optimalisatie-algoritme, waarbij de juiste kleurcode voor zelfassemblage van de beoogde vorm de doelstructuur produceert met een minimaal energieverbruik, terwijl concurrerende structuren worden uitgesloten.

Vervolgens zetten ze het systeem aan het werk en gebruikten ze computers om twee kristalvormen te ontwerpen die van groot belang zijn voor de fotonica: pyrochloor en kubieke diamant. De auteurs merken op dat deze innovatieve methode toepasbaar is op elke kristalstructuur.

Om hun theoretisch kader toe te passen, is Sulc een nieuwe samenwerking gestart met professoren Hao Yan en Nick Stephanopoulos, zijn collega’s bij Biodesign en SMS. Samen willen ze enkele van de structuren die ze in simulaties konden ontwerpen, experimenteel realiseren.

“Hoewel de voor de hand liggende toepassing van ons raamwerk in DNA-nanotechnologie ligt, is onze benadering algemeen en kan deze bijvoorbeeld ook worden gebruikt om zelf-geassembleerde structuren uit eiwitten te ontwerpen”, zegt Sulc.