ДНК слепила золотой кристалл

Идея применения участков ДНК в программируемой сборке наноразмерных и супрамолекулярных структур развивается и муссируется в научном сообществе уже довольно давно. Не так давно «Газета.Ru» писала о молекулярных роботах, работа которых целиком и полностью построена на принципе комплементарности нуклетидов наследственных цепочек.

Кроме того, ранее были предприняты успешные попытки создания упорядоченных двумерных наноструктур при помощи отрезков ДНК. Теперь же метод сборки объемных структур «снизу вверх» получил свое дальнейшее развитие – ученым удалось впервые получить упорядоченные трехмерные кристаллические наноструктуры. Это достижение было продемонстрировано сразу двумя независимыми научными группами, а результаты исследований приняты к публикации в Nature.

В основе работы положены наночастицы золота с прикрепленными к ним «руками» из коротких цепочек ДНК. Сами авторы работы сравнивают вновь полученные элементарные строительные блоки с головоногими моллюсками или кальмарами. Снабженные большим количеством ДНК-конечностей частицы золота в дальнейшем нужно лишь перемешать, после чего звенья цепи начинают взаимодействовать друг с другом, связываться и образовывать жесткую структуру, помещая частицы золота в узлы решетки, подобной кристаллической.

По словам одного из руководителей научной группы из Северо-западного университета в городе Эванстон, Чада Миркина, им удалось создать принципиально новое состояние материи, ранее никем не описанное. Никогда прежде ученым не удавалось собрать упорядоченную структуру, подобную кристаллической решетке, не из отдельных атомов, а из целых наночастиц.

Ученые надеются, что их новые объемные наноматериалы найдут широкое применение в различных приложениях, от сборки кристаллов для оптических коммуникационных устройств до создания наноструктур внутри живого организма и работы там в медицинских целях.

Чтобы продвинуться в третье измерение, группы Миркина и Олега Ганга, руководителя второй научной группы из Национальной лаборатории Брукхэвен в Нью-Йорке, дали «ДНК-рукам» золотых наночастиц больше гибкости и свободы для соединения с соседними.

Обе научные группы продемонстрировали схожий подход в построении кристаллоподобных наноструктур. Они использовали сферические наночастицы золота диаметром примерно 10 нм, к которым прикрепляли короткие участки цепочек ДНК. Выбор последовательности азотистых оснований в этих отрезках, взаимодействующих между собой по принципу комплементарности, определяет программу, согласно которой золотые наночастицы связываются между собой в дальнейшем.

Ученым удалось создать отрезки ДНК с так называемыми «липкими концами», которые прикрепляются только к определенным «липким концам» соседних частиц. Эти конечные участки ДНК – одно из главных достижений исследователей, потребовавшее многих лет кропотливой работы. Они образуются в том случае, когда две цепочки нуклеотидов, формирующие двойную спираль ДНК, имеют различную длину. В этом случае конечный участок одной из последовательностей оказывается «оголен» – не соединен с комплементарной парой. Это и заставляет множественные «ДНК-конечности» золотых частиц искать себе подходящую пару среди таких же «липких» окончаний других наночастиц. Программой же для сборки служил именно набор комплементарных нуклеотидных последовательностей каждой частицы.

Обе команды исследователей смогли направленно получить объемный материал, состоящий примерно из миллиона наночастиц, которые, объединившись, сформировали кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку. В этом типе кристаллических решеток атомы (в данном случае, наночастицы) находятся в углах куба, и еще один атом находится в его центре.

Коллектив ученых под руководством Олега Ганга сумел также применить методику термической обработки для окончательного формирования трехмерной упорядоченной структуры. После формирования объемного материала экспериментаторы дополнительно нагревали его, после чего вновь охлаждали до комнатных температур. Эта процедура, как и в случае термообработки привычных промышленных материалов, позволяет добиться образования более стабильного и менее дефектного материала. В ходе нагревания слабо связанные участки ДНК разрываются и образуют новые энергетически более выгодные связи. В результате полученный материал выдерживает большое количество циклов нагрева и охлаждения, что чрезвычайно важно для его дальнейшего применения.

Как выяснилось впоследствии, полученный группой Ганга наноматериал превосходит по термочувствительности обычные материалы почти на два порядка, что может быть связано с высокой чувствительностью ДНК к температуре.

Это свойство наноматериала может быть использовано для контроля магнитных или оптических материалов будущего, построенных по такому же принципу. Как известно, свойства таких материалов сильно зависят от расстояния между образующими их наночастицами. Возможность изменять эти параметры может обеспечить таким материалам применение в области хранения и конверсии энергии, а также в создании сенсорных структур.

Группе Миркина же удалось направленно создать объемный наноматериал еще и с кубической гранецентрированной решеткой, в которой атомы находятся в вершинах куба и в центрах его граней. По словам Миркина, получать различные типы трехмерных объемных упорядоченных наноструктур в дальнейшем поможет использование цепочек ДНК с различной длиной и различной конфигурацией «липких концов».

Стоит оговориться и об одном неудобстве данных трехмерных упорядоченных наноматериалов – полученные по методу Ганга и Миркина материалы должны оставаться влажными, так как в сухой среде водородные связи, связывающие между собой комплементарные азотистые основания, существовать не могут.

Впрочем, Ганг не склонен считать это обстоятельство существенным недостатком полученных материалов, так как они могут найти широкое применение в жидких системах. Например, построенный с помощью ДНК катализатор реакций в жидкой фазе может использоваться в проточных реакторах, так как пористая структура этого материала допускает свободный ток жидкостей сквозь решетку.

Сейчас научные группы перешли от модельных конструкций на основе наночастиц золота к поиску новых трехмерных структур с применением других по форме и составу наноразмерных строительных блоков. Дальнейшие работы в этом направлении позволят перенести словосочетание «состав-структура-свойства» из мира неорганических кристаллических структур в мир наноматериалов и открыть новый подход к получению принципиально новых субстанций.