Innovatieve 3D Nanomaterialen Creëren Via DNA-Programmeerbare Assemblage

Columbia University, New York, NY

Electronenmicroscopie afbeelding van een 3D nanopartikel geassembleerd met DNA-programmeerbare bindingen. (Afbeelding: Oleg Gang)

Toen het Empire State Building gebouwd werd, stegen de 102 verdiepingen boven midtown op, stuk voor stuk, met elk individueel element combineren om 40 jaar lang het hoogste gebouw ter wereld te worden. Uptown bij Columbia, bouwen Oleg Gang en zijn chemische engineering lab geen Art Deco architectuur; hun landmarks zijn ongelooflijk kleine apparaten gebouwd van nanoskopische bouwblokken die zichzelf rangschikken.

"We kunnen nu complex voorgeschreven 3D organisaties bouwen uit zelf-assemblerende nanocomponenten, een soort nanoschaalse versie van het Empire State Building," zei Gang, Professor Chemische Engineering en Toegepaste Fysica en Materialenwetenschap aan Columbia Engineering en leider van het Center for Functional Nanomaterials' Soft and Bio Nanomaterials Group bij Brookhaven National Laboratory.

"De mogelijkheden om 3D nanoschaal materialen ontwerp te fabriceren zijn kritiek voor veel opkomende toepassingen, variërend van lichtmanipulatie tot neuromorfic computing, en van katalytische materialen tot biomoleculaire steigers en reactoren," zei Gang.

In twee papers, een gepubliceerd in Nature Materials en een tweede in ACS Nano, beschrijven Gang en zijn collega's een nieuwe methodologie voor het fabriceren van getargette 3D nanoschaal structuren via zelf-assemblage die in diverse toepassingen bruikbaar zijn, en ze bieden een ontwerpalgoritme voor anderen om dit na te volgen. En het is allemaal gebaseerd op de meest basale biomoleculaire bouwblokken: DNA.

Wat betreft kleinschalige fabricage van microelektronica, zijn conventionele benaderingen gebaseerd op top-down strategieën. Een veelvoorkomende aanpak is fotolithografie, die krachtig licht en ingewikkelde sjablonen gebruikt om circuits te etsen. Maar mainstream lithografische technieken worstelen met complexe, driedimensionale structuren, terwijl additieve productie, beter bekend als 3D-printen, nog geen kenmerken op de nanoschaal kan fabriceren. In termen van workflow, fabriceren beide methoden elk kenmerk één voor één, serieel. Dit is een intrinsiek traag proces voor het bouwen van 3D objecten.

Zijn cues nemend van bio-systemen, bouwt Gang 3D materialen en apparaten bottom-up via zelf-assemblage processen die gestuurd worden door DNA. Hij heeft zijn methode verfijnd door samenwerking met andere wetenschappers om te bouwen, bijvoorbeeld, extreem kleine elektronica die ze voor hun werk nodig hebben.

Twee maanden geleden leverden hij en zijn vroegere student, Aaron Michelson, nu een staff scientist bij Brookhaven National Laboratory's Center for Functional Nanomaterials, een prototype voor medewerkers aan de University of Minnesota geïnteresseerd in het creëren van 3D lichtsensoren geïntegreerd op microchips. Ze bouwden de sensoren door DNA steigers op een chip te laten groeien en ze daarna te coaten met lichtgevoelig materiaal.

Dat apparaat was slechts de eerste van vele. In hun laatste paper in Nature Materials, vestigen Gang en zijn team een inverse ontwerpstrategie voor het creëren van gewenste 3D structuren uit een set nanoschaal DNA componenten en nanopartikelen. De studie presenteert vier meer toepassingen van hun 'DNA origami' benadering tot materiaalontwerp: een kristalachtige structuur bestaande uit eendimensionale strings en tweedimensionale lagen; een nabootsing van materialen die veelvoorkomend in zonnepanelen; een andere kristal die in een helische zwenkwijze draait; en, voor medewerker Nanfang Yu, Professor Toegepaste Fysica aan Columbia Engineering, een structuur die licht op specifieke manieren reflecteert voor zijn doel om een optische computer te creëren.

Met geavanceerde karakterisatietechnieken, zoals synchrotron-gebaseerde röntgenverstrooiing en elektronenmicroscopiemethoden, bij Columbia en Brookhaven National Laboratories, bevestigde het team dat de resulterende structuren overeenkwamen met hun ontwerpen en onthulde de ontwerpoverwegingen voor het verbeteren van structuurfideliteit. Elk van deze unieke structuren assembleerde zichzelf in waterputjes in Gang's lab. Dit type materiaalvorming is parallel van aard aangezien de componenten samen komen tijdens het assemblageproces, wat betekent dat significante tijd- en kostenbesparing voor 3D fabricage vergeleken met traditionele methoden. Het fabricageproces is ook milieu-vriendelijk aangezien de assemblage in water plaatsvindt.

"Deze assemblagemethodologie, gekoppeld aan vloeistof robotica automatisering waar ik nu aan werk bij BNL, opent nieuwe mogelijkheden voor het vestigen van 3D nanofabricage voor een breed scala aan toepassingen," zei Brian Minevich, co-eerste auteur op het paper, die Ph.D. student was in Gang's lab en nu postdoc is bij BNL.

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

DNA vouwt voorspelbaar, aangezien de vier nucleïnezuren die het opbouwen alleen in specifieke combinaties kunnen paren. Maar wanneer de gewenste structuur miljoenen, zo niet miljarden stukken bevat, hoe kom je dan op de juiste startsequentie? Gang en zijn collega's lossen deze uitdaging op met een inverse structurele ontwerpbenadering. "Als we de grote structuur met de functie die we willen creëren kennen, kunnen we die ontleden in kleinere componenten om onze bouwblokken te creëren met structurele, bindings- en functionele attributen vereist om de gewenste structuur te vormen," zei Gang.

De bouwblokken zijn DNA-strengen die vouwen in een mechanisch robuuste octahedrale vorm, die Gang een voxel noemt, met connectoren op elk hoekpunt die elke voxel aan elkaar koppelen. Veel voxels kunnen ontworpen worden om op te koppelen in een specifieke repetitieve 3D motief via DNA-codering, vergelijkbaar met hoe legpuzzelstukken een complex plaatje vormen. De repetitieve motieven, op hun beurt, worden ook in parallel geassembleerd om de getargette hiërarchisch georganiseerde structuur te creëren. Medewerker Sanat Kumar, de Michael Bykhovsky en Charo Gonzalez-Bykhovsky Professor Chemische Engineering aan Columbia, leverde een computationele verificatie van Gang's inverse ontwerpbenadering.

Om de inverse ontwerpstrategie mogelijk te maken, moeten de onderzoekers uitvinden hoe deze DNA-gebaseerde nanoschaal 'legpuzzelstukken' te ontwerpen met het minimale aantal nodig om de gewenste structuur te vormen. "Je kunt het zien als het comprimeren van een bestand. We willen de hoeveelheid informatie voor de DNA zelf-assemblage zo efficiënt mogelijk minimaliseren," zei eerste auteur Jason Kahn, een staff scientist bij BNL en eerder een postdoc in Gang's groep. Gedubd Mapping of Structurally Encoded Assembly, of MOSES, is dit algoritme als nanoschaal CAD software, voegde Gang toe. "Het zal je vertellen welke DNA voxel te gebruiken om een bepaalde, willekeurig gedefinieerde 3D hiërarchisch geordende rooster te maken."

Vanaf daar kun je diverse typen nano-'lading' in de DNA voxels toevoegen die de uiteindelijke structuur zullen voorzien van specifieke eigenschappen. Bijvoorbeeld, goud nanopartikels werden ingesloten om unieke optische eigenschappen te geven, gedemonstreerd in Yu's experimenten. Maar, zoals eerder getoond, kunnen zowel anorganische als bio-afgeleide nanokomponenten in deze DNA steigers geïntegreerd worden.

Zodra het apparaat geassembleerd was, 'mineraliseerde' het team het ook. Ze coaten de steigers met silica en blootstelden ze aan hitte om het DNA te decomponeren, wat de originele organische scaffolding effectief omzet in een hoog robuuste anorganische vorm.

Gang blijft samenwerken met Kumar en Yu om ontwerprincipes te ontdekken die zullen toestaan voor het engineerings en assemblage van nog complexere structuren, met de hoop om nog meer ingewikkelde ontwerpen te realiseren, inclusief een 3D circuit bedoeld om de complexe connectiviteit van de menselijke hersenen na te bootsen.

"We zijn op goede weg om een bottom-up 3D nanofabricage platform te vestigen. We zien dit als next-generation 3D printen op de nanoschaal, maar voor nu stelt de kracht van DNA-gebaseerde zelf-assemblage ons in staat om massaal parallelle fabricage te vestigen," zei Gang.

Voor meer informatie, contacteer Oleg Gang op dit e-mailadres wordt beschermd tegen spambots. Je hebt JavaScript ingeschakeld om het te kunnen zien.