p Um cubo, um octaedro, um prisma - estas estão entre as estruturas poliédricas, ou quadros, feito de DNA que os cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram para conectar nanopartículas em uma variedade de redes tridimensionais (3D) precisamente estruturadas. Os cientistas também desenvolveram um método para integrar nanopartículas e estruturas de DNA em módulos de interconexão, expandindo a diversidade de estruturas possíveis. p Essas conquistas, descrito em artigos publicados em Materiais da Natureza e Química da Natureza , poderia permitir o projeto racional de nanomateriais com óptica aprimorada ou combinada, elétrico, e propriedades magnéticas para alcançar as funções desejadas.

p "Nosso objetivo é criar nanoestruturas automontadas a partir de projetos, "disse o físico Oleg Gang, que liderou esta pesquisa no Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN), um DOE Office of Science User Facility em Brookhaven. "A estrutura de nossos conjuntos de nanopartículas é controlada principalmente pela forma e pelas propriedades de ligação de quadros de DNA projetados com precisão, não pelas próprias nanopartículas. Ao nos permitir projetar diferentes redes e arquiteturas sem ter que manipular as partículas, nosso método abre grandes oportunidades para projetar nanomateriais com propriedades que podem ser aprimoradas organizando componentes funcionais com precisão. Por exemplo, poderíamos criar materiais de absorção de luz direcionados que aproveitam a energia solar, ou materiais magnéticos que aumentam a capacidade de armazenamento de informações. "

p Quadros projetados para estruturas desejadas

p A equipe de Gang já explorou o emparelhamento de bases complementares do DNA - a ligação altamente específica de bases conhecidas pelas letras A, T, G, e C, que constituem os degraus da "escada" de dupla hélice do DNA - para reunir as partículas de maneira precisa. As partículas revestidas com fitas simples de DNA se ligam a partículas revestidas com fitas complementares (A se liga a T e G se liga a C) enquanto repele as partículas revestidas com fitas não complementares.

p Eles também projetaram quadros de DNA 3D cujos cantos têm amarras de DNA de fita simples às quais nanopartículas revestidas com fitas complementares podem se ligar. Quando os cientistas misturam essas nanopartículas e quadros, os componentes se auto-montam em treliças que são definidas principalmente pela forma da estrutura projetada. O artigo da Nature Materials descreve as estruturas mais recentes alcançadas usando essa estratégia.

p "Em nossa abordagem, usamos quadros de DNA para promover as interações direcionais entre nanopartículas de modo que as partículas se conectem em configurações específicas que alcancem os arranjos 3D desejados, "disse Ye Tian, autor principal no Materiais da Natureza papel e um membro da equipe de pesquisa da Gang. "A geometria de cada estrutura de ligação de partículas está diretamente relacionada ao tipo de rede, embora a natureza exata dessa relação ainda esteja sendo explorada. "

p Até aqui, a equipe projetou cinco formas de moldura poliédrica - um cubo, um octaedro, uma bipirâmide quadrada alongada, um prisma, e uma pirâmide triangular - mas uma variedade de outras formas poderiam ser criadas.

p “A ideia é construir diferentes estruturas 3D (edifícios) a partir da mesma nanopartícula (tijolo), "disse Gang." Normalmente, as partículas precisam ser modificadas para produzir as estruturas desejadas. Nossa abordagem reduz significativamente a dependência da estrutura da natureza da partícula, que pode ser ouro, prata, ferro, ou qualquer outro material inorgânico. "

p Origami de DNA

p Para projetar os quadros, a equipe usou origami de DNA, uma técnica de automontagem na qual fitas sintéticas curtas de DNA (fitas básicas) são misturadas a uma fita única mais longa de DNA derivado biologicamente (fita de base). Quando os cientistas aquecem e resfriam essa mistura, os fios básicos se ligam seletivamente com ou "grampeiam" o fio de cadafalso, fazendo com que o fio do andaime se dobre repetidamente sobre si mesmo. O software de computador os ajuda a determinar as sequências específicas para dobrar o DNA nas formas desejadas.

p O dobramento da estrutura de DNA de fita simples introduz pontos de ancoragem que contêm extremidades "pegajosas" livres - cadeias desemparelhadas de bases de DNA - onde nanopartículas revestidas com amarras de fita simples complementares podem se anexar. Essas extremidades adesivas podem ser posicionadas em qualquer lugar na estrutura do DNA, mas a equipe de Gang escolheu os cantos para que vários quadros pudessem ser conectados.

p Para cada formato de quadro, o número de fitas de DNA que ligam um canto do quadro a uma nanopartícula individual é equivalente ao número de bordas convergindo naquele canto. Os quadros de cubo e prisma têm três fios em cada canto, por exemplo. Ao fazer essas amarras de canto com vários números de bases, os cientistas podem ajustar a flexibilidade e o comprimento das ligações entre a estrutura da partícula.

p As distâncias entre as partículas são determinadas pelos comprimentos das bordas do quadro, que são dezenas de nanômetros nos quadros projetados até hoje, mas os cientistas dizem que deve ser possível adaptar as armações para atingir quaisquer dimensões desejadas.

p Os cientistas verificaram as estruturas e arranjos de nanopartículas por meio de microscopia crioeletrônica (um tipo de microscopia conduzida em temperaturas muito baixas) no CFN e no Departamento de Biologia de Brookhaven, e espalhamento de raios-x na National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), um DOE Office of Science User Facility em Brookhaven.

p De tijolos a Legos

p No Química da Natureza papel, A equipe de Gang descreveu como eles usaram uma abordagem baseada em DNA semelhante para criar bidimensional programável (2D), quadros de DNA semelhantes a quadrados em torno de nanopartículas individuais.

p As fitas de DNA dentro das estruturas fornecem acoplamento ao DNA complementar nas nanopartículas, essencialmente segurando a partícula dentro do quadro. Cada lado externo da estrutura pode ser codificado individualmente com diferentes sequências de DNA. Essas fitas externas de DNA guiam o reconhecimento e a conexão entre os quadros.

p Gang compara esses módulos de nanopartículas com estrutura de DNA a Legos cujas interações são programadas:"Cada módulo pode conter um tipo diferente de nanopartícula e se interligar a outros módulos de maneiras diferentes, mas específicas, totalmente determinado pelo emparelhamento complementar das bases de DNA nas laterais da moldura. "

p Em outras palavras, os quadros não apenas determinam se as nanopartículas se conectarão, mas também como elas se conectarão. Programar os lados do quadro com sequências de DNA específicas significa que apenas os quadros com sequências complementares podem se conectar.

p Misturar diferentes tipos de módulos pode resultar em uma variedade de estruturas, semelhantes às construções que podem ser geradas a partir de peças de Lego. Ao criar uma biblioteca de módulos, os cientistas esperam poder montar estruturas sob demanda.

p Montagem previsível de nanomateriais multifuncionais

p A seletividade das conexões permite que diferentes tipos e tamanhos de nanopartículas sejam combinados em estruturas únicas.

p A geometria das conexões, ou como as partículas são orientadas no espaço, é muito importante para projetar estruturas com as funções desejadas. Por exemplo, nanopartículas opticamente ativas podem ser dispostas em uma geometria particular para girar, filtro, absorver, e emitem luz - recursos que são relevantes para aplicações de coleta de energia, como telas de exibição e painéis solares.

p Usando diferentes módulos da "biblioteca, "A equipe de Gang demonstrou a automontagem de matrizes lineares unidimensionais, correntes em "ziguezague", aglomerados em forma de quadrado e em forma de cruz, e redes quadradas 2D. Os cientistas até geraram um modelo simplista em nanoescala do Homem Vitruviano de Leonardo da Vinci.

p "Queríamos demonstrar que arquiteturas de nanopartículas complexas podem ser automontadas usando nossa abordagem, "disse Gang.

p Novamente, os cientistas usaram técnicas sofisticadas de imagem - microscopia eletrônica e de força atômica no CFN e espalhamento de raios-x no NSLS-II - para verificar se suas estruturas eram consistentes com os projetos prescritos e para estudar o processo de montagem em detalhes.

p "Embora muitos estudos adicionais sejam necessários, nossos resultados mostram que estamos avançando em direção ao nosso objetivo de criar matéria projetada por meio da automontagem, incluindo matrizes de partículas periódicas e nanoarquiteturas complexas com formas livres, "disse Gang." Nossa abordagem é empolgante porque é uma nova plataforma para fabricação em nanoescala, um que pode levar a uma variedade de materiais funcionais racionalmente projetados. "