Os cientistas construíram octaedros usando estruturas semelhantes a cordas feitas de feixes de moléculas de dupla hélice de DNA para formar os quadros (a). Uma única fita de DNA anexada aos vértices (numerada em vermelho) pode ser usada para anexar nanopartículas revestidas com fitas complementares. Essa abordagem pode produzir uma variedade de estruturas, incluindo aqueles com o mesmo tipo de partícula em cada vértice (b), arranjos com partículas colocadas apenas em certos vértices (c), e estruturas com diferentes partículas colocadas estrategicamente em diferentes vértices (d). Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Em uma nova reviravolta no uso de DNA na construção em nanoescala, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e colaboradores colocaram fitas sintéticas do material biológico para funcionar de duas maneiras:eles usaram configurações semelhantes a cordas da dupla hélice de DNA para formar uma estrutura geométrica rígida, e acrescentou pedaços pendentes de DNA de fita simples para colar as nanopartículas no lugar.
O método, descrito no jornal Nature Nanotechnology , produziu clusters previsíveis e matrizes de nanopartículas - um passo importante para o design de materiais com estruturas e funções personalizadas para aplicações em energia, ótica, e remédios.
"Essas matrizes de nanopartículas com configurações geométricas previsíveis são um tanto análogas às moléculas feitas de átomos, "disse o físico de Brookhaven Oleg Gang, que liderou o projeto no Centro de Nanomateriais Funcionais do Laboratório (CFN), um DOE Office of Science User Facility. "Enquanto os átomos formam moléculas com base na natureza de suas ligações químicas, não tem havido uma maneira fácil de impor um esquema de ligação espacial específico às nanopartículas. Este é exatamente o problema que nosso método aborda. "
Usando o novo método, os cientistas dizem que podem orquestrar os arranjos de diferentes tipos de nanopartículas para aproveitar os efeitos coletivos ou sinérgicos. Os exemplos podem incluir materiais que regulam o fluxo de energia, girar a luz, ou entregar biomoléculas.
"Podemos projetar materiais que imitem as máquinas da natureza para coletar energia solar, ou manipular luz para aplicações de telecomunicações, ou projetar novos catalisadores para acelerar uma variedade de reações químicas, "Gang disse.
Os cientistas demonstraram a técnica para projetar arquiteturas de nanopartículas usando uma estrutura octaédrica com partículas posicionadas em locais precisos na estrutura de acordo com a especificidade da codificação do DNA. Os projetos incluíram dois arranjos diferentes do mesmo conjunto de partículas, onde cada configuração tinha características ópticas diferentes. Eles também usaram os clusters geométricos como blocos de construção para matrizes maiores, incluindo cadeias lineares e folhas planas bidimensionais.
"Nosso trabalho demonstra a versatilidade dessa abordagem e abre inúmeras oportunidades interessantes para a montagem de precisão de alto rendimento de blocos de construção 3D sob medida em que várias nanopartículas de diferentes estruturas e funções podem ser integradas, "disse o cientista da CFN Ye Tian, um dos principais autores do artigo.
Detalhes de montagem
Uma imagem de microscopia crioeletrônica de combinação de uma moldura octaédrica com uma nanopartícula de ouro ligada a cada um dos seis vértices, mostrado de três ângulos diferentes. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Esta abordagem de construção em nanoescala aproveita duas características principais da molécula de DNA:a forma de dupla hélice em escada torcida, e a tendência natural dos fios com bases complementares (o A, T, G, e C letras do código genético) para emparelhar de forma precisa.
Primeiro, os cientistas criaram pacotes de seis moléculas de dupla hélice, em seguida, coloque quatro desses pacotes juntos para fazer um estábulo, material de construção um tanto rígido - semelhante ao modo como os fios fibrosos individuais são entrelaçados para formar uma corda muito forte. Os cientistas então usaram essas vigas em forma de corda para formar a estrutura de octaedros tridimensionais, "grampear" as cadeias lineares de DNA junto com centenas de curtas fitas complementares de DNA.
"Nós nos referimos a eles como octaedros de origami de DNA, "Gang disse.
Para tornar possível "colar" nanopartículas aos quadros 3D, os cientistas projetaram cada um dos feixes de seis hélices originais para ter uma hélice com um pedaço extra de fita única de DNA saindo de ambas as extremidades. Quando montados nos octaedros 3D, cada vértice da estrutura tinha algumas dessas amarras de "extremidade pegajosa" disponíveis para ligação com objetos revestidos com fitas de DNA complementares.
"Quando nanopartículas revestidas com amarras de fita simples são misturadas com os octaedros de origami de DNA, os pedaços "livres" de DNA se encontram, de modo que as bases podem emparelhar de acordo com as regras do código de complementaridade do DNA. Thus the specifically DNA-encoded particles can find their correspondingly designed place on the octahedron vertices" Gang said.
The scientists can change what binds to each vertex by changing the DNA sequences encoded on the tethers. Em um experimento, they encoded the same sequence on all the octahedron's tethers, and attached strands with a complementary sequence to gold nanoparticles. The result:One gold nanoparticle attached to each of octahedron's six vertices.
By strategically placing tethers on particular vertices, the scientists used the octahedrons to link nanoparticles into one-dimensional chainlike arrays (left) and two-dimensional square sheets (right). Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
In additional experiments the scientists changed the sequence of some vertices and used complementary strands on different kinds of particles, illustrating that they could direct the assembly and arrangement of the particles in a very precise way. In one case they made two different arrangements of the same three pairs of particles of different sizes, producing products with different optical properties. They were even able to use DNA tethers on selected vertices to link octahedrons end to end, forming chains, and in 2D arrays, forming sheets.
Visualization of arrays
Confirming the particle arrangements and structures was a major challenge because the nanoparticles and the DNA molecules making up the frames have very different densities. Certain microscopy techniques would reveal only the particles, while others would distort the 3D structures.
To see both the particles and origami frames, the scientists used cryo-electron microscopy (cryo-EM), led by Brookhaven Lab and Stony Brook University biologist Huilin Li, an expert in this technique, and Tong Wang, the paper's other lead co-author, who works in Brookhaven's Biosciences department with Li. They had to subtract information from the images to "see" the different density components separately, then combine the information using single particle 3D reconstruction and tomography to produce the final images.
"Cryo-EM preserves samples in their near-native states and provides close to nanometer resolution, " Wang said. "We show that cryo-EM can be successfully applied to probe the 3D structure of DNA-nanoparticle clusters."
These images confirm that this approach to direct the placement of nanoparticles on DNA-encoded vertices of molecular frames could be a successful strategy for fabricating novel nanomaterials.
