Diatomáceas são minúsculas, criaturas unicelulares, habitando oceanos, lagos, rios, e solos. Por meio de sua respiração, eles produzem cerca de um quarto do oxigênio da terra, quase tanto quanto as florestas tropicais do mundo. Além de seu sucesso ecológico em todo o planeta, eles têm várias propriedades notáveis. As diatomáceas vivem em casas de vidro projetadas por eles próprios, visível sob ampliação em uma gama surpreendente e esteticamente bela de formas.

Os pesquisadores encontraram inspiração nestes microscópicos, produtos da natureza semelhantes a joias desde sua descoberta no final do século XVIII. Em um novo estudo, Cientistas da Arizona State University (ASU) liderados pelo Professor Hao Yan, em colaboração com pesquisadores do Instituto de Física Aplicada de Xangai da Academia Chinesa de Ciências e da Universidade Jiaotong de Xangai, liderada pelo Prof. Chunhai Fan, projetaram uma série de nanoestruturas semelhantes a diatomáceas.

p Para alcançar isto, eles pegam emprestadas técnicas usadas por diatomáceas de ocorrência natural para depositar camadas de sílica - o principal constituinte do vidro - a fim de fazer crescer suas intrincadas conchas. Usando uma técnica conhecida como origami de DNA, o grupo projetou plataformas em nanoescala de várias formas para as quais partículas de sílica, puxado por carga elétrica, poderia ficar.

A nova pesquisa demonstra que a deposição de sílica pode ser aplicada de forma eficaz ao material sintético, Arquiteturas baseadas em DNA, melhorando sua elasticidade e durabilidade. O trabalho poderia ter aplicações de longo alcance em novos sistemas ópticos, nanolitografia semicondutora, nanoeletrônica, nano-robótica e aplicações médicas, incluindo entrega de drogas.

p Yan é o ilustre Professor Milton D. Glick de Química e Bioquímica e dirige o Centro de Biodesign para Design Molecular e Biomimética. As descobertas do grupo são relatadas no online avançado da revista Natureza .

Pesquisadores como Yan e Fan criam nanoarquiteturas sofisticadas em 2 e 3 dimensões, usando DNA como um material de construção. O método, conhecido como origami de DNA, depende das propriedades de emparelhamento de bases dos quatro nucleotídeos do DNA, cujos nomes são abreviados A, T, C e G.

A estrutura em escada da dupla hélice do DNA é formada quando fitas complementares de nucleotídeos se ligam - os nucleotídeos C sempre emparelhando com Gs e As sempre emparelhadas com Ts. Este comportamento previsível pode ser explorado para produzir uma variedade virtualmente ilimitada de formas de engenharia, que pode ser projetado com antecedência. As nanoestruturas então se auto-montam em um tubo de ensaio.

No novo estudo, pesquisadores queriam ver se arquiteturas projetadas com DNA, cada um medindo apenas bilionésimos de um metro de diâmetro, podem ser usados ​​como estruturas estruturais nas quais exoesqueletos semelhantes a diatomáceas compostos de sílica podem crescer de maneira precisa e controlável. Seus resultados bem-sucedidos mostram o poder desse casamento híbrido de natureza e nanoengenharia, que os autores chamam de DNA Origami Silicification (DOS).

"Aqui, demonstramos que a química certa pode ser desenvolvida para produzir materiais híbridos de DNA-sílica que reproduzem fielmente as informações geométricas complexas de uma ampla gama de diferentes suportes de origami de DNA. Nossos resultados estabeleceram um método geral para a criação de nanoestruturas biomiméticas de sílica, "disse Yan.

Entre as estruturas geométricas de DNA projetadas e construídas nos experimentos estavam cruzamentos 2-D, praças, triângulos e formas de favo de mel de diatomáceas do DOS, bem como cubos 3-D, tetraedros, hemisférios, formas toróide e elipsóide, ocorrendo como unidades individuais ou reticulados.

Uma vez que as estruturas de DNA foram concluídas, aglomerados de partículas de sílica carregando uma carga positiva foram atraídos eletrostaticamente para as superfícies das formas de DNA eletricamente negativas, acumulando ao longo de um período de vários dias, como tinta fina aplicada a uma casca de ovo. Uma série de micrografias eletrônicas de transmissão e varredura foram feitas das formas DOS resultantes, revelando silicificação semelhante a diatomácea precisa e eficiente.

O método se mostrou eficaz para silicificação de framelike, nanoestruturas curvas e porosas que variam em tamanho de 10-1000 nanômetros, (as estruturas maiores são aproximadamente do tamanho de bactérias). O controle preciso sobre a espessura da casca de sílica é obtido simplesmente regulando a duração do crescimento.

As nanoestruturas híbridas DOS-diatomáceas foram inicialmente caracterizadas usando um par de ferramentas poderosas capazes de revelar suas formas minúsculas, Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) e Microscopia de Força Atômica (AFM). As imagens resultantes revelam contornos muito mais claros para as nanoestruturas após a deposição de sílica.

O método de nanofabricação é tão preciso, pesquisadores foram capazes de produzir triângulos, quadrados e hexágonos com poros uniformes medindo menos de 10 nm de diâmetro - de longe o menor alcançado até o momento, usando litografia de origami de DNA. Avançar, a técnica delineada no novo estudo equipa os pesquisadores com um controle mais preciso sobre a construção de nanoestruturas 3-D em formas arbitrárias que costumam ser difíceis de produzir por meio dos métodos existentes.

One property of natural diatoms of great interests to nanoengineers like Yan and Fan is the specific strength of their silica shells. Specific strength refers to a material's resistance to breakage relative to its density. Scientists have found that the silica architectures of diatoms are not only inspiringly elegant but exceptionally tough. De fato, the silica exoskeletons enveloping diatoms have the highest specific strength of any biologically produced material, including bone, antlers, and teeth.

In the current study, researchers used AFM to measure the resistance to breakage of their silica-augmented DNA nanostructures. Like their natural counterparts, these forms showed far greater strength and resilience, displaying a 10-fold increase in the forces they could withstand, compared with the unsilicated designs, while nevertheless retaining considerable flexibility.

The study also shows that the enhanced rigidity of DOS nanostructures increases with their growth time. As the authors note, these results are in agreement with the characteristic mechanical properties of biominerals produced by nature, coupling impressive durability with flexibility.

A final experiment involved the design of a new 3-D tetrahedral nanostructure using gold nanorods as supportive struts for a DOS fabricated device. This novel structure was able to faithfully retain its shape compared with a similar structure lacking silication that deformed and collapsed.

The research opens a pathway for nature-inspired innovations in nanotechnology in which DNA architectures act as templates that may be coated with silica or perhaps other inorganic materials, including calcium phosphate, calcium carbonate, ferric oxide or other metal oxides, yielding unique properties.

"We are interested in developing methods to create higher order hybrid nanostructures. For example, multi-layered/multi-component hybrid materials may be achieved by a stepwise deposition of different materials to further expand the biomimetic diversity, " said Fan.

Such capabilities will open up new opportunities to engineer highly programmable solid-state nanopores with hierarchical features, new porous materials with designed structural periodicity, cavity and functionality, plasmonic and meta-materials. The bio-inspired and biomimetic approach demonstrated in this paper represents a general framework for use with inorganic device nanofabrication that has arbitrary 3-D shapes and functions and offers diverse potential applications in fields such as nano-electronics, nano-photonics, and nano-robotics.