p (Phys.org) - Cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA descobriram que as fitas "ligantes" de DNA persuadem os bastonetes de tamanho nano a se alinharem de maneira diferente de qualquer outro arranjo espontâneo de objetos em forma de bastão. O arranjo - com as hastes formando "degraus" em fitas em forma de escada ligadas por várias fitas de DNA - resulta das interações coletivas das amarras de DNA flexíveis e pode ser exclusivo da nanoescala. A pesquisa, descrito em um artigo publicado online em ACS Nano , um jornal da American Chemical Society, poderia resultar na fabricação de novos materiais nanoestruturados com as propriedades desejadas. p "Este é um mecanismo completamente novo de automontagem que não possui análogos diretos no reino dos sistemas moleculares ou em microescala, "disse o físico de Brookhaven Oleg Gang, autor principal do artigo, que conduziu a maior parte da pesquisa no Centro de Nanomateriais Funcionais do Laboratório.

p Amplas classes de objetos semelhantes a bastões, variando de moléculas a vírus, frequentemente exibem comportamento típico de cristal líquido, onde as hastes se alinham com uma dependência direcional, às vezes com os cristais alinhados formando planos bidimensionais sobre uma determinada área. Objetos em forma de bastão com forte direcionalidade e forças atrativas entre suas extremidades, resultando, por exemplo, da distribuição de carga polarizada - às vezes também pode alinhar ponta a ponta formando cadeias lineares unidimensionais.

p Nenhum arranjo típico é encontrado nos nanobastões amarrados com DNA.

p "Nossa descoberta mostra que um regime qualitativamente novo emerge para objetos em nanoescala decorados com amarras moleculares flexíveis de tamanhos comparáveis ​​- um arranjo linear em forma de escada unidimensional que aparece na ausência de afinidade de ponta a ponta entre os bastonetes, "Gang disse.

p Alexei Tkachenko, o cientista CFN que desenvolveu a teoria para explicar o arranjo excepcional, elaborado:"Notavelmente, o sistema tem todas as três dimensões para viver, no entanto, opta por formar o linear, fitas quase unidimensionais. Pode ser comparado a como dimensões extras que são hipotetizadas por físicos de alta energia tornam-se 'ocultas, 'para que nos encontremos em um mundo 3-D. "

p Tkachenko explica como o alinhamento em forma de escada resulta de uma quebra de simetria fundamental:

p "Assim que um nanobastão se conecta a outro lado a lado, ele perde a simetria cilíndrica que tinha quando tinha amarras livres ao redor. Então, o próximo nanorod se ligará preferencialmente ao outro lado do primeiro, onde ainda existem ligantes de DNA disponíveis. "

p DNA como cola

p Usar o DNA sintético como uma forma de cola molecular para guiar a montagem das nanopartículas tem sido uma abordagem central da pesquisa de Gang no CFN. Seu trabalho anterior mostrou que fitas desta molécula - mais conhecida por transportar o código genético de coisas vivas - podem juntar nanopartículas quando as fitas carregam sequências complementares de bases de nucleotídeos (conhecidas pelas letras A, T, G, e C) são usados ​​como amarras, ou inibir a ligação quando fitas não combinadas são usadas. O controle cuidadoso dessas forças atrativas e inibidoras pode levar a uma engenharia em nanoescala ajustada.

p No estudo atual, os cientistas usaram nanobastões de ouro e fitas simples de DNA para explorar arranjos feitos com amarras complementares presas a hastes adjacentes. Eles também examinaram os efeitos do uso de fios de ligação de vários comprimentos para servir como cola de amarração.

p Depois de misturar as várias combinações, eles estudaram os arranjos resultantes usando espectroscopia ultravioleta-visível no CFN, e também com espalhamento de raios-X de baixo ângulo na fonte de luz síncrotron nacional de Brookhaven (NSLS). Eles também usaram técnicas para "congelar" a ação em vários pontos durante a montagem e observaram essas fases estáticas usando microscopia eletrônica de varredura para obter uma melhor compreensão de como o processo progredia ao longo do tempo.

p Os vários métodos de análise confirmaram o arranjo lado a lado dos nanobastões dispostos como degraus em uma fita em forma de escada durante os estágios iniciais de montagem, seguido mais tarde pelo empilhamento das fitas e, finalmente, agregação tridimensional em larga escala devido à formação de pontes de DNA entre as fitas.

p Este processo de montagem em estágios, chamado hierárquico, é uma reminiscência de automontagem em muitos sistemas biológicos (por exemplo, a ligação de aminoácidos em cadeias seguido pelo dobramento subsequente dessas cadeias para formar proteínas funcionais).

p A natureza gradativa da montagem sugeriu à equipe que o processo poderia ser interrompido nos estágios intermediários. Usando fitas "bloqueadoras" de DNA para ligar as amarras livres restantes nas estruturas semelhantes a fitas lineares, eles demonstraram sua capacidade de prevenir as interações em estágios posteriores que formam estruturas agregadas.

p "Parar o processo de montagem no estágio de fita tipo escada pode ser potencialmente aplicado para a fabricação de estruturas lineares com propriedades de engenharia, "Gang disse." Por exemplo, ao controlar as propriedades plasmônicas ou fluorescentes - as respostas dos materiais à luz - podemos ser capazes de fazer concentradores de luz em nanoescala ou guias de luz, e ser capaz de alterná-los sob demanda. "