Innovatieve 3D-nanomaterialen creëren via DNA-programmeerbare assemblage

Columbia Universiteit, New York, NY

Elektronenmicroscopiebeeld van een 3D-nanodeeltje samengesteld met behulp van DNA-programmeerbare bindingen. (Afbeelding:Oleg Bende)

Toen het Empire State Building werd gebouwd, rezen de 102 verdiepingen stuk voor stuk boven de binnenstad uit, waarbij elk afzonderlijk element samen 40 jaar lang het hoogste gebouw ter wereld werd. Uptown in Columbia bouwen Oleg Gang en zijn laboratorium voor chemische technologie geen art-deco-architectuur; hun oriëntatiepunten zijn ongelooflijk kleine apparaten die zijn opgebouwd uit nanoscopische bouwstenen die zichzelf ordenen.

“We kunnen nu complex voorgeschreven 3D-organisaties bouwen uit zelf-geassembleerde nanocomponenten, een soort nanoschaalversie van het Empire State Building”, zegt Gang, hoogleraar chemische technologie en toegepaste natuurkunde en materiaalwetenschappen bij Columbia Engineering en leider van het Center for Functional Nanomaterials’ Soft and Bio Nanomaterials Group bij Brookhaven National Laboratory.

“De mogelijkheden om door ontwerp 3D-materialen op nanoschaal te vervaardigen zijn van cruciaal belang voor veel opkomende toepassingen, variërend van lichtmanipulatie tot neuromorfe computergebruik, en van katalytische materialen tot biomoleculaire steigers en reactoren”, aldus Gang.

In twee artikelen, één gepubliceerd in Nature Materials en een tweede in ACS Nano Gang en zijn collega's beschrijven een nieuwe methodologie voor het fabriceren van gerichte 3D-structuren op nanoschaal via zelfassemblage die in een verscheidenheid aan toepassingen kan worden gebruikt, en ze bieden een ontwerpalgoritme dat anderen kunnen volgen. En het is allemaal gebaseerd op de meest fundamentele biomoleculaire bouwstenen:DNA.

Als het gaat om de kleinschalige fabricage van micro-elektronica, zijn conventionele benaderingen gebaseerd op top-downstrategieën. Een veel voorkomende benadering is fotolithografie, waarbij krachtig licht en ingewikkelde stencils worden gebruikt om circuits te etsen. Maar reguliere lithografische technieken worstelen met complexe, driedimensionale structuren, terwijl additive manufacturing, beter bekend als 3D-printen, nog geen kenmerken op nanoschaal kan fabriceren. In termen van workflow fabriceren beide methoden elke functie één voor één, serieel. Dit is een intrinsiek langzaam proces voor het bouwen van 3D-objecten.

Op basis van biosystemen bouwt Gang 3D-materialen en apparaten van onderop via zelfassemblageprocessen die worden aangestuurd door DNA. Hij heeft zijn methode verfijnd door samen te werken met andere wetenschappers om bijvoorbeeld extreem kleine elektronica te bouwen die ze nodig hebben voor hun werk.

Twee maanden geleden leverden hij en zijn oud-student Aaron Michelson, nu stafwetenschapper bij het Brookhaven National Laboratory’s Center for Functional Nanomaterials, een prototype af voor medewerkers aan de Universiteit van Minnesota die geïnteresseerd zijn in het creëren van 3D-lichtsensoren geïntegreerd op microchips. Ze bouwden de sensoren door DNA-scaffolds op een chip te laten groeien en deze vervolgens te bedekken met lichtgevoelig materiaal.

Dat apparaat was slechts het eerste van vele. In hun nieuwste artikel in Nature Materials , stellen Gang en zijn team een omgekeerde ontwerpstrategie vast voor het creëren van de gewenste 3D-structuren uit een reeks DNA-componenten en nanodeeltjes op nanoschaal. De studie presenteert nog vier toepassingen van hun ‘DNA-origami’-benadering van materiaalontwerp:een kristalachtige structuur bestaande uit eendimensionale snaren en tweedimensionale lagen; een nabootsing van de materialen die vaak in zonnepanelen worden aangetroffen; een ander kristal dat in een spiraalvormige werveling ronddraait; en, voor medewerker Nanfang Yu, hoogleraar toegepaste natuurkunde bij Columbia Engineering, een structuur die licht op bepaalde manieren zal reflecteren voor zijn doel om een optische computer te maken.

Met behulp van geavanceerde karakteriseringstechnieken, zoals op synchrotron gebaseerde röntgenverstrooiing en elektronenmicroscopiemethoden, bij Columbia en Brookhaven National Laboratories, bevestigde het team dat de resulterende structuren overeenkwamen met hun ontwerpen en onthulde het de ontworpen overwegingen voor het verbeteren van de structuurgetrouwheid. Elk van deze unieke structuren werd verzameld in waterputten in het laboratorium van Gang. Dit type materiaalvorming is parallel van aard, aangezien de componenten samenkomen tijdens het assemblageproces, wat een aanzienlijke tijd- en kostenbesparing betekent voor 3D-fabricage vergeleken met traditionele methoden. Bovendien is het fabricageproces milieuvriendelijk, omdat de montage in water plaatsvindt.

“Deze assemblagemethodologie, gekoppeld aan de automatisering van vloeibare robotica waar ik nu bij BNL aan werk, opent nieuwe mogelijkheden voor het opzetten van 3D-nanoproductie voor een breed scala aan toepassingen”, zegt Brian Minevich, co-eerste auteur van het artikel en gepromoveerd. student in het laboratorium van Gang en is nu postdoctoraal onderzoeker bij BNL.

“Dit is een platform dat toepasbaar is op veel materialen met veel verschillende eigenschappen:biologisch, optisch, elektrisch, magnetisch”, zegt Gang. Het eindresultaat hangt simpelweg af van het ontwerp.

DNA vouwt voorspelbaar, omdat de vier nucleïnezuren waaruit het bestaat alleen in bepaalde combinaties kunnen paren. Maar als de gewenste structuur miljoenen, zo niet miljarden stukjes bevat, hoe bedenk je dan de juiste startvolgorde? Gang en zijn collega's lossen deze uitdaging op met een omgekeerde structurele ontwerpbenadering. "Als we de grote structuur kennen met de functie die we willen creëren, kunnen we die in kleinere componenten ontleden om onze bouwstenen te creëren met structurele, bindende en functionele kenmerken die nodig zijn om de gewenste structuur te vormen", aldus Gang.

De bouwstenen zijn DNA-strengen die zich vouwen tot een mechanisch robuuste octaëdrische vorm, waarnaar Gang verwijst als een voxel, met connectoren op elke hoek die elke voxel met elkaar verbinden. Veel voxels kunnen worden ontworpen om te worden gekoppeld aan een bepaald repetitief 3D-motief met behulp van DNA-codering, vergelijkbaar met hoe puzzelstukjes een complex beeld vormen. De repetitieve motieven worden op hun beurt ook parallel samengevoegd om de beoogde hiërarchisch georganiseerde structuur te creëren. Medewerker Sanat Kumar, Michael Bykhovsky en Charo Gonzalez-Bykhovsky hoogleraar chemische technologie aan Columbia, zorgde voor een computationele verificatie van Gangs omgekeerde ontwerpbenadering.

Om de omgekeerde ontwerpstrategie mogelijk te maken, moeten de onderzoekers uitzoeken hoe ze deze op DNA gebaseerde ‘legpuzzelstukjes’ op nanoschaal kunnen ontwerpen met het minimale aantal dat nodig is om de gewenste structuur te vormen. "Je kunt het zien als het comprimeren van een bestand. We willen de hoeveelheid informatie minimaliseren zodat de zelfassemblage van DNA zo efficiënt mogelijk is", zegt eerste auteur Jason Kahn, stafwetenschapper bij BNL en voorheen postdoc bij Gang's groep. Dit algoritme, genaamd Mapping of Structurally Encoded Assembly, of MOSES, lijkt op CAD-software op nanoschaal, voegde Gang eraan toe. “Het zal je vertellen welke DNA-voxel je moet gebruiken om een bepaald, willekeurig gedefinieerd 3D-hiërarchisch geordend rooster te maken.”

Van daaruit kun je verschillende soorten nano-‘lading’ toevoegen aan de DNA-voxels die de uiteindelijke structuur van bijzondere eigenschappen zullen voorzien. Er werden bijvoorbeeld gouden nanodeeltjes ingebed om unieke optische eigenschappen te verkrijgen, zoals aangetoond in de experimenten van Yu. Maar zoals eerder aangetoond kunnen zowel anorganische als bio-afgeleide nanocomponenten in deze DNA-scaffolds worden geïntegreerd.

Nadat het apparaat in elkaar was gezet, ‘mineraliseerde’ het team het ook. Ze bedekten steigers met silica en stelden ze vervolgens bloot aan hitte om het DNA te ontleden, waardoor de oorspronkelijke organische steigers effectief werden omgezet in een zeer robuuste anorganische vorm.

Gang blijft samenwerken met Kumar en Yu om ontwerpprincipes te ontdekken die de engineering en assemblage van complexe structuren mogelijk maken, in de hoop nog ingewikkelder ontwerpen te realiseren, waaronder een 3D-circuit dat bedoeld is om de complexe connectiviteit van het menselijk brein na te bootsen.

"We zijn goed op weg om een bottom-up platform voor 3D-nanoproductie op te zetten. We zien dit als de volgende generatie 3D-printen op nanoschaal, maar voorlopig stelt de kracht van op DNA gebaseerde zelfassemblage ons in staat om massaal parallelle fabricage tot stand te brengen", aldus Gang.

Neem voor meer informatie contact op met Oleg Gang op Dit e-mailadres wordt beschermd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien..