Cientistas que buscam formas de projetar a montagem de minúsculas partículas medindo apenas bilionésimos de metro alcançaram um novo primeiro - a formação de uma única camada de nanopartículas em uma superfície líquida onde as propriedades da camada podem ser facilmente alteradas. Compreender a montagem de tais filmes finos nanoestruturados pode levar ao projeto de novos tipos de filtros ou membranas com uma resposta mecânica variável para uma ampla gama de aplicações. Além disso, porque os cientistas usaram minúsculas fitas sintéticas de DNA para manter as nanopartículas juntas, o estudo também oferece uma visão sobre o mecanismo de interação de nanopartículas e moléculas de DNA perto de uma membrana lipídica. Esse entendimento pode informar o uso emergente de nanopartículas como veículos para entrega de genes através das membranas celulares.

"Nosso trabalho revela como as nanopartículas revestidas de DNA interagem e se reorganizam em uma interface lipídica, e como esse processo afeta as propriedades de um "filme fino" feito de nanopartículas ligadas ao DNA, "disse o físico Oleg Gang, que liderou o estudo no Center for Functional Nanomaterials (CFN) do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA. Os resultados serão publicados no dia 11 de junho, Edição impressa de 2014 do Jornal da American Chemical Society .

Como a molécula que carrega informações genéticas em seres vivos, os filamentos de DNA sintético usados ​​como "cola" para ligar as nanopartículas neste estudo têm uma tendência natural de emparelhar quando as bases que constituem os degraus da molécula em forma de escada torcida se combinam de uma maneira particular. Cientistas de Brookhaven fizeram um grande uso da especificidade dessa força atrativa para fazer com que nanopartículas revestidas com filamentos de DNA sintético simples pudessem emparelhar e montar em uma variedade de arquiteturas tridimensionais. O objetivo do presente estudo era ver se a mesma abordagem poderia ser usada para obter projetos de duas dimensões, filmes de uma partícula de espessura.

"Muitas das aplicações que imaginamos para nanopartículas, como revestimentos ópticos e dispositivos de armazenamento fotovoltaico e magnético, requerem geometria plana, "disse Sunita Srivastava, um pesquisador de pós-doutorado da Stony Brook University e o principal autor do artigo. Outros grupos de cientistas montaram tais planos de nanopartículas, essencialmente flutuando-os em uma superfície líquida, mas essas matrizes de camada única são todas estáticas, ela explicou. "Usar moléculas ligantes de DNA nos dá uma maneira de controlar as interações entre as nanopartículas."

Conforme descrito no artigo, os cientistas demonstraram sua capacidade de alcançar monocamadas estruturadas de forma diferente, de uma matriz semelhante a um fluido viscoso para uma malha elástica reticulada mais firmemente tecida - e alternar entre esses diferentes estados - variando a força do emparelhamento entre as fitas complementares de DNA e ajustando outras variáveis, incluindo a carga eletrostática na superfície do conjunto de líquido e a concentração de sal.

Quando a superfície eles usaram, um lipido, tem uma forte carga positiva que atrai as fitas de DNA com carga negativa que revestem as nanopartículas. Essa atração eletrostática e a repulsão entre as moléculas de DNA carregadas negativamente em torno das nanopartículas adjacentes superam a força atrativa entre as bases complementares de DNA. Como resultado, as partículas formam uma monocamada viscosa de livre flutuação disposta de forma bastante frouxa. Adicionar sal altera as interações e supera a repulsão entre as fitas de DNA com carga semelhante, permitindo que os pares de bases combinem e liguem as nanopartículas mais estreitamente, primeiro formando matrizes semelhantes a strings, e com mais sal, uma camada mais sólida, porém elástica, semelhante a uma malha.

“O mecanismo desta transição de fase não é óbvio, "disse Gang." Não pode ser entendido apenas a partir das interações de repulsão-atração. Com a ajuda da teoria, revelamos que existem efeitos coletivos das cadeias de DNA flexíveis que conduzem o sistema em determinados estados. E isso só é possível quando os tamanhos das partículas e os tamanhos da cadeia de DNA são comparáveis ​​- na ordem de 20-50 nanômetros, " ele disse.

Como parte do estudo, os cientistas examinaram as diferentes configurações das nanopartículas no topo da camada de líquido usando espalhamento de raios-x na fonte de luz síncrotron nacional de Brookhaven (NSLS). Eles também transferiram a monocamada produzida em cada concentração de sal para uma superfície sólida para que pudessem visualizá-la usando microscopia eletrônica no CFN.

"Criar essas monocamadas de partículas em uma interface de líquido é muito conveniente e eficaz porque a estrutura bidimensional das partículas é muito 'fluida' e pode ser facilmente manipulada - ao contrário de um substrato sólido, onde as partículas podem facilmente ficar presas à superfície, "Gang disse." Mas em algumas aplicações, podemos precisar transferir a camada montada para uma superfície sólida. Ao combinar o espalhamento síncrotron e imagens de microscopia eletrônica, pudemos confirmar que a transferência pode ser feita com o mínimo de interrupção da monocamada. "

A natureza comutável das monocamadas pode ser particularmente atraente para aplicações como membranas usadas para purificação e separações, ou para controlar o transporte de objetos em escala molecular ou nano através de interfaces líquidas. Por exemplo, disse a gangue, quando as partículas estão ligadas, mas se movem livremente na interface, eles podem permitir que um objeto - uma molécula - passe pela interface. "Contudo, quando induzimos ligações entre partículas para formar uma rede semelhante a uma malha, qualquer objeto maior que o tamanho da malha da rede não pode penetrar nesta película muito fina. "

"Em princípio, podemos até pensar em tais redes reguladas sob demanda para ajustar o tamanho da malha de forma dinâmica. Porque, do regime de tamanho em nanoescala, podemos imaginar o uso de tais membranas para filtrar proteínas ou outras nanopartículas, " ele disse.

Compreender como as nanopartículas revestidas com DNA sintético interagem com uma superfície lipídica também pode oferecer uma visão sobre como essas partículas revestidas com genes reais podem interagir com as membranas celulares - que são amplamente compostas por lipídios - e umas com as outras em um ambiente lipídico.

"Outros grupos consideraram o uso de nanopartículas revestidas de DNA para detectar genes dentro das células, ou mesmo para entregar genes às células para terapia gênica e tais abordagens, "disse Gang." Nosso estudo é o primeiro de seu tipo a olhar para os aspectos estruturais da interface DNA-partícula / lipídio diretamente usando espalhamento de raios-x. Eu acredito que esta abordagem tem um valor significativo como uma plataforma para investigações mais detalhadas de sistemas realistas importantes para essas novas aplicações biomédicas de pares de nanopartículas de DNA, "Gang disse.