p Usando DNA dobrado para colocar com precisão moléculas brilhantes em ressonadores de luz microscópicos, pesquisadores da Caltech criaram uma das menores reproduções do mundo de The Starry Night, de Vincent van Gogh. A reprodução e a técnica usada para criá-la são descritas em um artigo publicado na edição online avançada da revista. Natureza em 11 de julho. p A imagem monocromática - apenas a largura de uma moeda de dez centavos - foi um projeto de prova de conceito que demonstrou, pela primeira vez, como o posicionamento preciso do origami de DNA pode ser usado para construir dispositivos baseados em chips, como circuitos de computador em escalas menores do que nunca.

p Origami de DNA, desenvolvido há 10 anos por Paul Rothemund da Caltech (BS '94), é uma técnica que permite aos pesquisadores dobrar uma longa fita de DNA em qualquer forma desejada. O DNA dobrado então atua como um andaime no qual os pesquisadores podem anexar e organizar todos os tipos de componentes em escala nanométrica, de moléculas fluorescentes a nanotubos de carbono eletricamente condutores e drogas.

p "Pense nisso como os painéis que as pessoas usam para organizar ferramentas em suas garagens, só neste caso, o pegboard se monta a partir de fitas de DNA e as ferramentas também encontram suas próprias posições, "diz Rothemund, professor pesquisador de bioengenharia, computação e ciências matemáticas, e sistemas de computação e neurais. “Tudo acontece em um tubo de ensaio sem intervenção humana, o que é importante porque todas as peças são muito pequenas para manipular de forma eficiente, e queremos fazer bilhões de dispositivos. "

p O processo tem o potencial de influenciar uma variedade de aplicações, desde a entrega de medicamentos à construção de computadores em nanoescala. Mas para muitas aplicações, organizar componentes em nanoescala para criar dispositivos em pegboards de DNA não é suficiente; os dispositivos devem ser conectados em circuitos maiores e precisam ter uma maneira de se comunicar com dispositivos de grande escala.

p Uma abordagem inicial era fazer eletrodos primeiro, e, em seguida, espalhe dispositivos aleatoriamente em uma superfície, com a expectativa de que pelo menos alguns pousariam onde desejassem, um método que Rothemund descreve como "borrifar e orar".

p Em 2009, Rothemund e colegas da IBM Research primeiro descreveram uma técnica por meio da qual origami de DNA pode ser posicionado em locais precisos em superfícies usando litografia de feixe de elétrons para gravar locais de ligação pegajosos que têm a mesma forma do origami. Por exemplo, manchas adesivas triangulares ligam DNA dobrado triangularmente.

p Nos últimos sete anos, Rothemund e Ashwin Gopinath, bolsista sênior de pós-doutorado em bioengenharia na Caltech, refinaram e ampliaram essa técnica para que as formas do DNA possam ser posicionadas com precisão em quase todas as superfícies usadas na fabricação de chips de computador. No Natureza papel, eles relatam a primeira aplicação da técnica - usando origami de DNA para instalar moléculas fluorescentes em fontes de luz microscópicas.

p "É como usar origami de DNA para parafusar lâmpadas moleculares em lâmpadas microscópicas, "Rothemund diz.

p Nesse caso, as lâmpadas são estruturas microfabricadas chamadas cavidades de cristal fotônico (PCCs), que são ajustados para ressoar em um determinado comprimento de onda de luz, da mesma forma que um diapasão vibra com um tom específico. Criado dentro de uma fina membrana semelhante a vidro, um PCC assume a forma de um defeito em forma de bactéria dentro de uma colmeia perfeita de orifícios.

p "Dependendo do tamanho e espaçamento exatos dos orifícios, um determinado comprimento de onda de luz reflete na borda da cavidade e fica preso dentro, "diz Gopinath, o principal autor do estudo. Ele construiu PCCs que são ajustados para ressoar em cerca de 660 nanômetros, o comprimento de onda correspondente a um tom profundo da cor vermelha. Moléculas fluorescentes ajustadas para brilhar em um comprimento de onda semelhante iluminam as lâmpadas - desde que fiquem exatamente no lugar certo dentro do PCC.

p "Uma molécula fluorescente sintonizada na mesma cor de um PCC brilha mais intensamente dentro da cavidade, mas a força desse efeito de acoplamento depende fortemente da posição da molécula dentro da cavidade. Algumas dezenas de nanômetros é a diferença entre a molécula brilhando intensamente, ou nem um pouco, "Gopinath diz.

p Ao mover o origami de DNA através dos PCCs em etapas de 20 nanômetros, os pesquisadores descobriram que podiam mapear um padrão quadriculado de pontos quentes e frios, onde as lâmpadas moleculares brilhavam fraca ou fortemente. Como resultado, eles foram capazes de usar origami de DNA para posicionar moléculas fluorescentes para fazer lâmpadas de intensidade variada. Estruturas semelhantes foram propostas para alimentar computadores quânticos e para uso em outras aplicações ópticas que requerem muitas fontes de luz minúsculas integradas em um único chip.

p "Todos os trabalhos anteriores acoplando emissores de luz a PCCs apenas criaram com sucesso um punhado de lâmpadas de trabalho, devido à extraordinária dificuldade de controlar de forma reproduzível o número e a posição dos emissores em uma cavidade, "Gopinath diz. Para provar sua nova tecnologia, os pesquisadores decidiram ampliar e fornecer uma demonstração visualmente atraente. Ao criar PCCs com diferentes números de locais de ligação, Gopinath foi capaz de instalar com segurança qualquer número de zero a sete origami de DNA, permitindo que ele controle digitalmente o brilho de cada lâmpada. Ele tratou cada lâmpada como um pixel com uma das oito intensidades diferentes, e produziu uma matriz de 65, 536 dos pixels do PCC (uma grade de 256 x 256 pixels) para criar uma reprodução de "A noite estrelada" de Van Gogh.

p Agora que a equipe pode combinar moléculas de forma confiável com PCCs, eles estão trabalhando para melhorar os emissores de luz. Atualmente, as moléculas fluorescentes duram cerca de 45 segundos antes de reagir com o oxigênio e "queimar, "e eles emitem alguns tons de vermelho em vez de uma única cor pura. A solução de ambos os problemas ajudará em aplicações como os computadores quânticos.

p "Além dos aplicativos, há muita ciência fundamental a ser feita, "Gopinath diz.