Figura 1 . Formação espontânea de nanofios de DNA alinhados. ( UMA ) Ilustrações esquemáticas da formação espontânea de uma matriz de nanofios de DNA pelo dobramento da pele induzida por filamentos de água contendo moléculas de DNA. ( B ) Imagens sequenciais de microscópio óptico de uma gota de solução de DNA se espalhando sobre as rugas (t =5 min, ε ≈ −0,03); a transição de dobra para enrugar ocorre no limite e se propaga com a borda da gota. ( C ) Imagem AFM de uma matriz de nanofios de DNA se estendendo desde o limite (t =2 min, ε ≈ −0,02). Os perfis de linha para cada região são mostrados ao lado da imagem. (Barras de escala: B , 50 μm e C , 4 μm.). Crédito:Nagashimaa S, Haa HD, Kima DH, Košmrljb A, Stone HA, Moon M-W (2017) Formação espontânea de nanofios de DNA alinhados por dobra da pele induzida por capilaridade. Proc Natl Acad Sci USA 114:24 6233-6237.
(Phys.org) —Nanofios formados a partir de DNA (ácido desoxirribonucléico) —um dos vários tipos de nanofios moleculares que incorporam unidades moleculares repetidas — são exatamente isso:Nanoestruturas baseadas em DNA geometricamente semelhantes a fios definidas de várias maneiras como tendo um 1 ~ 10 nm (10 -9 m) diâmetro ou uma razão comprimento-para-diâmetro> 1000. Embora os nanofios possam ser feitos de vários materiais orgânicos e inorgânicos, Foi demonstrado que os nanofios de DNA fornecem uma gama de aplicações valiosas na automontagem programada 1, 2 de materiais funcionais, incluindo nanofios metálicos e semicondutores para uso em dispositivos eletrônicos, bem como biológicos, médico, e aplicações de análise genética 3, 4, 5 . Dito isso, A adoção de nanofios de DNA foi limitada devido a limitações históricas na capacidade de controlar seus parâmetros estruturais, especificamente, Tamanho, geometria e alinhamento. Recentemente, Contudo, cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia da Coreia e da Universidade de Princeton alavancaram as forças capilares da água contendo moléculas de DNA para demonstrar nanofios de DNA retos ou ondulados e controláveis por tamanho que foram espontaneamente formados pela água que entra em canais enrugados de uma pele fina comprimida em um substrato macio, que subsequentemente induziu uma transição de dobra para enrugar.
Professor assistente e autor principal, So Nagashima, Professor Assistente Andrej Košmrlj, Donald R. Dixon '69 e Elizabeth W. Dixon Professor Howard A. Stone, e o cientista pesquisador principal Myoung-Woon Moon discutiram o artigo que eles e seus co-autores publicaram em Proceedings of the National Academy of Sciences . "Eu acho que o aspecto mais desafiador de desenvolver nosso método para utilizar um modelo de pele fina que responde à água mudando dinamicamente sua morfologia de superfície foi encontrar as condições em que ocorre a transição de dobra para dobra, "Moon diz Phys.org . "As condições críticas em função da deformação aplicada, geometrias de rugas iniciais, e a espessura da camada de pele determinada pela duração do tratamento com plasma de oxigênio eram difíceis de encontrar. "Moon acrescenta que a técnica de observação para a transição dinâmica foi limitada apenas a microscópios ópticos cuja resolução óptica mais alta cai entre 100 a 1000 nm na largura dos nanofios, sendo isso devido à transição dinâmica ocorrendo na escala submicron.
Ao induzir uma transição de dobra para dobra da superfície do molde, explorando as forças capilares da água contendo moléculas de DNA, Stone aponta, a observação de que a água muda a transição de dobra para dobrar é nova. "Até onde sabemos, nosso é o primeiro estudo a mostrar esse efeito, como está demonstrando um uso de tais dobras para o alinhamento do DNA. Além disso, o controle da tensão superficial ou das forças capilares resultantes e a área para a formação de dobras é relativamente difícil - e adicionando moléculas de DNA à água, parece que a tensão superficial mudou, portanto, o comprimento da transição da dobra foi menor. "
A preparação do modelo usou um tratamento de plasma de oxigênio de polidimetilsiloxano pré-estirado (ou PDMS, um composto de organossilício polimérico) substratos para durações variadas. "Na verdade, "Moon explica, "a manipulação de PDMS com deformação de pré-estiramento é um método relativamente bem desenvolvido, assim como o tratamento com plasma de oxigênio:ambos foram discutidos na literatura. Podemos fazer as amostras com vários tamanhos de alguns milímetros a alguns centímetros, que também pode ser feito em uma área muito maior. "Moon observa que os pesquisadores também podem variar as propriedades mecânicas do polidimetilsiloxano - para torná-lo mais extensível, macio ou flexível - alterando a proporção de elastômero e reticulador para a preparação de PDMS.
Um aspecto fundamental do estudo foi a confirmação de que o novo método manipula de forma confiável o tamanho do nanofio de DNA, geometria, e alinhamento. "Ajustando as condições para a tensão de alongamento, duração do tratamento com plasma, e pós-compressão do PDMS alongado, Os nanofios de DNA podem ser um meio cilindro, um cilindro perfeito, ou forma de fio ondulado, "Moon diz Phys.org . "Ao alterar as geometrias das rugas, como a amplitude - que é governada pela deformação - pode-se controlar a distância entre os fios no canal de dobra." Distâncias mais largas entre os fios, ele continua, pode ser conseguido comprimindo menos o PDMS, enquanto a compressão do substrato mais produz distâncias menores.
Para enfrentar esses desafios, os cientistas descobriram uma transformação resultante de forças capilares que agem na borda de uma gota d'água que pode, com apenas 1% de compressão, transformar rugas em dobras, que, na ausência de uma gota de líquido, se forma apenas em compressão muito alta (~ 30%). Além disso, Moon acrescenta, substâncias menores, como biomoléculas ou nanopartículas, podem seguir o canal de água para formar nanoestruturas unidimensionais alinhadas. "Quanto menor, melhor. Menos é mais. Descobrimos que a transição dobra para a dobra ocorre mais facilmente quando os seguintes fatores se tornam menores:nível de compressão, espessura da pele, volume da gota, tamanho da superfície da amostra, e ângulos de contato estáticos de gotículas. "
Com base em suas descobertas, os autores afirmaram que sua abordagem pode levar a novas maneiras de fabricar materiais funcionais. "Nossa principal descoberta é que é possível transformar rugas em dobras localizadas simplesmente explorando as forças capilares da água em superfícies enrugadas sob tensão muito pequena de cerca de 1% na compressão, "Nagashima conta Phys.org . "Estudos recentes relatados na literatura demonstraram que essas transições de dobra para enrugar podem ajudar a desenvolver sistemas que alteram dinamicamente suas propriedades de acordo com a morfologia da superfície. induzir a transição na ausência de água é difícil de alcançar na prática porque, em geral, grande compressão precisa ser aplicada ao sistema pele-substrato, o que dificulta aplicações mais amplas. Nosso estudo revela que mesmo 1% de compressão, que é o nível crítico para a criação de rugas em nosso caso, é grande o suficiente para desencadear a transição para dobras localmente quando a água está presente ". Nagashima observa que, embora o nível de compressão necessário para induzir a transição possa diferir de acordo com o sistema de película de pele usado, apenas um pequeno nível de compressão seria necessário em combinação com água.
Figura 2. Dobramento da pele induzida por capilaridade. ( UMA ) Imagem do microscópio óptico de uma matriz de rugas e dobras ao redor do limite de uma gota de água colocada em uma superfície enrugada (t =20 min, ε ≈ −0,03). A seta azul indica um filamento de água. ( B ) Ilustrações esquemáticas da transição dobra para dobra da pele devido às forças de tensão superficial da água. Imagens representativas de AFM e os perfis de linha são mostrados abaixo das ilustrações. ( C ) Ilustrações esquemáticas e imagens de microscópio óptico mostrando a evolução das dobras localizadas com ε crescente (t =10 min). Uma gota de água foi colocada na superfície antes da compressão; a seta azul e os triângulos vermelhos indicam a formação de um filamento de água e dobras localizadas, respectivamente. ( D e E ) A distância pico a pico de rugas (LW) e dobras (LF) e o comprimento (l) e espaçamento (s) das dobras em função de t. ( E , Inserir ) Ilustração esquemática que mostra a vista superior de uma série de dobras no limite. (F) LW e LF em função de | ε | (t =3 min). ( F , Inserir ) Perfis de linha das dobras para | ε | ≈ 0,02, 0,08, e 0,17. (Barras de escala: UMA , 10 μm; B , 5 μm; e C , 50 μm.). Crédito:Nagashimaa S, Haa HD, Kima DH, Košmrljb A, Stone HA, Moon M-W (2017) Formação espontânea de nanofios de DNA alinhados por dobra da pele induzida por capilaridade. Proc Natl Acad Sci USA 114:24 6233-6237.
"Este fenômeno pode ser considerado um método livre de litografia que permite a pronta fabricação de matrizes de nanomateriais, onde seu tamanho, comprimento, e a periodicidade pode ser ajustada de maneira robusta, "ele continua." Além disso, não apenas a água, mas outros líquidos podem ser usados para transportar nanomateriais e induzir a transição dobra para dobra. "
Moon descreve vários exemplos de potencial de novo técnicas de fabricação e análise, incluindo litografia em nanoescala, nanoimpressão, crescimento por deposição de vapor químico, e reação química. "Nosso método pode ser potencialmente usado para a fabricação de nanofios unidimensionais ou nanoarrays para aplicação em análise de DNA com quantidades muito diluídas ou pequenas de DNA; modelos de DNA como novas nanoestruturas de metal ou cerâmica; e dispositivos de tratamento de DNA para curar DNA modificado. Adição, pode-se adotar essa técnica para lidar com proteínas, sangue, ou nanopartículas em nanoescala. "
Košmrlj e Stone contam Phys.org que uma área de pesquisa planejada é focada em análise não linear e modelagem para melhor compreensão quantitativa da transição de dobra para dobra induzida pela capilaridade. "Como nosso sistema é composto pelo comportamento mecânico da transição de dobra desencadeada pela tensão superficial do líquido, a transição enrugada para dobrar que encontramos está associada a grandes deformações onde a teoria da elasticidade linear convencional não se aplica. Embora os mecanismos básicos possam ser explicados dentro da teoria linear, a comparação quantitativa com experimentos só pode ser alcançada levando-se em consideração as não linearidades geométricas e materiais. Estamos, portanto, realizando simulações numéricas, acoplando a tensão superficial do líquido e a deformação sólida, bem como realizar análises com séries de perturbação, onde não linearidades de estruturas elásticas podem ser estudadas sistematicamente. "
"Eu também acho que os desafios futuros são descobrir como alcançar áreas maiores para a formação de padrões de DNA, "Moon diz." Na verdade, nossos últimos resultados - obtidos depois que este artigo PNAS foi aceito - mostra algum progresso impressionante para a região com transição de dobra para rugas em áreas maiores, como toda a área sob uma gota d'água. Outra área a ser estudada, Lua continua, diz respeito ao fato de que a morfogênese biológica dos sistemas pele-substrato são onipresentes em organismos onde a água é o principal constituinte. "Estamos tentando encontrar situações em que nossas descobertas sejam aplicáveis. Colaborações ativas com especialistas na área seriam úteis."
Os pesquisadores também podem investigar outros materiais além do PDMS. "Sim. Outros polímeros podem funcionar se possuírem os fatores básicos para governar a transição de dobra, sendo estes a finura da nano-pele e materiais macios do corpo, e hidrofilia de superfície para garantir reação de superfície suficiente com o líquido, "Notas da lua.
Fig. 3. Nanofios de DNA ajustáveis. ( UMA ) Imagens de microscópio óptico de campo claro e escuro de nanofios de DNA criados pela transição de dobra para dobra induzida por capilaridade. Após a evaporação da gota, a tensão foi ajustada para ver a estrutura dentro das dobras. ( B ) Imagens de microscópio confocal de uma matriz de nanofios de DNA que se estendem desde o limite até os locais indicados pelos triângulos amarelos. ( C ) Imagens de AFM de nanofios de DNA obtidas usando rugas preparadas com vários ε (t =10 min). Depois que as dobras foram formadas, a deformação foi ajustada para ε ≈ 0,00. Os perfis de linha dos nanofios indicados pelas linhas pontilhadas verdes são mostrados nas imagens. ( D ) Altura dos nanofios em função de t (ε ≈ −0,03). ( E ) Mudanças na forma de um nanofio de DNA de reto para enrugado com um aumento na tensão de tração. ( F ) O comprimento de onda (símbolos pretos) e a amplitude (símbolos laranja) dos nanofios de DNA enrugados em função da tensão de tração aplicada. ( G e H ) Os perfis de linha do nanofio de DNA e da superfície da pele antes e após a aplicação da cepa de tração (isto é, ε ≈ −0,02 e 0,05, respectivamente). A cor dos perfis corresponde às linhas pontilhadas indicadas nas imagens AFM mostradas em E . (Barras de escala: UMA e B , 10 μm; C , 2 μm; e E , 1 μm.). Crédito:Nagashimaa S, Haa HD, Kima DH, Košmrljb A, Stone HA, Moon M-W (2017) Formação espontânea de nanofios de DNA alinhados por dobra da pele induzida por capilaridade. Proc Natl Acad Sci USA 114:24 6233-6237.
Outros possíveis interesses de pesquisa futura e inovações adicionais mencionadas pelos autores incluem:
- análise teórica para elucidar a física subjacente relacionada ao dobramento superficial induzido pela água
- explorar a física subjacente para desenvolver um método de fabricação em massa e robusto para induzir a transição dobra para dobrar
- encontrar e discutir mudanças morfológicas na natureza, onde a água é provavelmente um fator chave
- aplicar os resultados do estudo atual para análise de DNA ou dispositivos de drogas de DNA
- Sensores 2-D / 3-D, ferramentas de diagnóstico, e sistemas de liberação de drogas
- modelos para a fabricação de nanomateriais unidimensionais
- métodos para padronização local
"Eu acredito que este trabalho é benéfico para a ciência de materiais para modelos de nanofios, mecânica para canais fluídicos, e biologia para análise quantitativa de DNA ou outras biomoléculas, "Moon conclui.
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