p Estas ilustrações mostram como um cristal 3-D feito de nanopartículas muda entre dois estados distintos por meio de uma estrutura intermediária (linha superior, meio) quando em loop (à esquerda) versus não em loop (à direita), cadeias de DNA de fita dupla são usadas para ligar as partículas. Os cientistas foram capazes de medir a distância entre as partículas em cada estrutura registrando padrões de espalhamento de raios-X (linha inferior). Mudar de DNA em loop para não em loop aumentou a distância entre as partículas em cerca de 6 nanômetros.
p (PhysOrg.com) - Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA descobriram uma nova maneira de usar uma forma sintética de DNA para controlar a montagem de nanopartículas - desta vez resultando em comutável, estruturas tridimensionais e de pequenos agrupamentos que podem ser úteis, por exemplo, como biossensores, em células solares, e como novos materiais para armazenamento de dados. O trabalho é descrito em
Nature Nanotechnology, publicado online em 20 de dezembro, 2009 p A equipe Brookhaven, liderado pelo físico Oleg Gang, vem refinando técnicas para usar fitas de DNA artificial como um tipo altamente específico de velcro ou cola para ligar nanopartículas. Essa automontagem baseada em DNA é uma promessa para o design racional de uma gama de novos materiais para aplicações em separação molecular, eletrônicos, conversão de energia, e outros campos. Mas nenhuma dessas estruturas teve a capacidade de mudar de maneira programável em resposta a estímulos moleculares - até agora.
p “Agora estamos usando um tipo especial de dispositivo de ligação de DNA - uma espécie de 'cola inteligente' - que afeta como as partículas se conectam para fazer estruturas que podem ser trocadas entre diferentes configurações, ”Diz Gang. Este confiável, a comutação reversível pode ser usada para regular as propriedades funcionais - por exemplo, as propriedades de fluorescência e transferência de energia de um material - para fazer novos materiais que respondam às mudanças nas condições, ou para alterar suas funções sob demanda.
p Essa capacidade de resposta às mudanças nas condições ambientais e a capacidade de adotar novas formas são marcas registradas dos sistemas vivos. Dessa forma, esses novos nanomateriais imitam mais de perto os sistemas biológicos do que quaisquer nanoestruturas anteriores. Embora longe de qualquer forma de vida verdadeiramente "artificial, ”Esses materiais podem levar ao design de máquinas em nanoescala que, em um nível muito simples, imitam os processos celulares, como a conversão da luz solar em energia útil, ou sentir a presença de outras moléculas. Materiais responsivos também teriam benefícios no campo da óptica ou para produzir materiais porosos regulamentados para separações moleculares, Gang diz.
p Os cientistas alcançaram o objetivo de capacidade de resposta criando estruturas onde a distância entre as nanopartículas poderia ser cuidadosamente controlada com precisão nanométrica.
p “Muitas características físicas dos nanomateriais, como propriedades ópticas e magnéticas, são fortemente dependentes da distância entre as nanopartículas, ”Gang explica.
p Em seus estudos anteriores, os cientistas usaram fitas simples de DNA ligadas a nanopartículas individuais como moléculas de ligação. Quando as extremidades livres dessas fitas de DNA tinham código genético complementar, eles se ligariam para anexar as partículas. Restringir as interações ancorando algumas das partículas em uma superfície permitiu que os cientistas formassem de forma confiável uma variedade de estruturas de aglomerados de duas partículas (chamados dímeros) a cristais de nanopartículas 3-D mais complexos.
p No novo trabalho, os cientistas adicionaram estruturas de DNA de fita dupla mais complicadas. Ao contrário dos fios simples, que se enrolam de maneiras incontroláveis, essas estruturas de fita dupla são mais rígidas e, portanto, restringem as distâncias entre as partículas.
p Adicionalmente, algumas das fitas que compõem as moléculas de DNA de fita dupla têm estruturas complicadas, como loops, que puxam as partículas ligadas para mais perto do que quando as duas fitas são exatamente paralelas. Variando o tipo de dispositivo de DNA, entre os fios em loop e não em loop, e medir as distâncias interpartículas usando técnicas de precisão na Fonte de Luz Síncrotron Nacional de Brookhaven (NSLS) e no Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN), os cientistas demonstraram que podiam controlar com eficácia a distância entre as partículas e mudar o sistema de um estado para outro à vontade.
p A abordagem resultou em duas configurações, sistemas comutáveis em dímeros e nanocristais, com uma mudança de distância de cerca de 6 nanômetros - cerca de 25 por cento da distância entre as partículas. Ao comparar a cinética nos dois sistemas, eles descobriram que a alternância entre os estados é mais rápida no mais simples, sistema de duas partículas. Os dímeros também retêm sua capacidade de retornar ao seu estado inicial com mais precisão do que os cristais 3-D, sugerindo que o apinhamento molecular pode ser um problema para uma investigação mais aprofundada nos materiais 3-D.
p “Nossa esperança é que a capacidade de induzir a reorganização pós-montagem dessas estruturas adicionando DNA ou outras moléculas como estímulos externos, e nossa capacidade de observar essas mudanças com resolução nanométrica, vai nos ajudar a entender esses processos e encontrar maneiras de aplicá-los em novos tipos de nanomáquinas em que a funcionalidade do sistema é determinada pelas nanopartículas e sua organização relativa, ”Diz Gang.
p Estudos futuros farão uso de recursos de imagem precisos, tais como ferramentas avançadas de microscopia eletrônica no CFN e técnicas de raios-X de alta resolução que estarão disponíveis na nova fonte de luz de Brookhaven, NSLS-II, agora em construção.
