Schaffung innovativer 3D-Nanomaterialien durch DNA-programmierbare Montage

Columbia University, New York, NY

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines 3D-Nanopartikels, das mithilfe von DNA-programmierbaren Bindungen zusammengesetzt ist. (Bild:Oleg Gang)

Als das Empire State Building gebaut wurde, ragten seine 102 Stockwerke Stück für Stück über die Innenstadt hinaus, wobei sich jedes einzelne Element zusammenfügte und 40 Jahre lang das höchste Gebäude der Welt bildete. In Uptown at Columbia bauen Oleg Gang und sein Labor für Chemieingenieurwesen keine Art-déco-Architektur; Ihre Wahrzeichen sind unglaublich kleine Geräte, die aus nanoskopischen Bausteinen gebaut sind, die sich selbst anordnen.

„Wir können jetzt komplex vorgeschriebene 3D-Organisationen aus selbstorganisierten Nanokomponenten aufbauen, eine Art nanoskalige Version des Empire State Building“, sagte Gang, Professor für Chemieingenieurwesen und Angewandte Physik und Materialwissenschaften am Columbia Engineering und Leiter der Soft and Bio Nanomaterials Group des Center for Functional Nanomaterials am Brookhaven National Laboratory.

„Die Fähigkeit, 3D-Nanomaterialien gezielt herzustellen, ist für viele neue Anwendungen von entscheidender Bedeutung, von der Lichtmanipulation bis zum neuromorphen Computing und von katalytischen Materialien bis hin zu biomolekularen Gerüsten und Reaktoren“, sagte Gang.

In zwei Artikeln, einer davon veröffentlicht in Nature Materials und eine zweite in ACS Nano Gang und seine Kollegen beschreiben eine neue Methode zur Herstellung gezielter 3D-Nanostrukturen durch Selbstorganisation, die in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung finden kann, und sie stellen einen Designalgorithmus bereit, damit andere diesem Beispiel folgen können. Und alles basiert auf den grundlegendsten biomolekularen Bausteinen:der DNA.

Wenn es um die Herstellung von Mikroelektronik in kleinem Maßstab geht, basieren herkömmliche Ansätze auf Top-Down-Strategien. Ein gängiger Ansatz ist die Fotolithographie, bei der leistungsstarkes Licht und komplizierte Schablonen zum Ätzen von Schaltkreisen verwendet werden. Aber gängige Lithografietechniken haben mit komplexen dreidimensionalen Strukturen zu kämpfen, während die additive Fertigung, besser bekannt als 3D-Druck, noch keine Strukturen im Nanomaßstab herstellen kann. Was den Arbeitsablauf angeht, fertigen beide Methoden jedes Feature einzeln und seriell an. Dies ist ein an sich langsamer Prozess zum Erstellen von 3D-Objekten.

Gang orientiert sich an Biosystemen und baut 3D-Materialien und Geräte von Grund auf über Selbstorganisationsprozesse, die von der DNA gesteuert werden. Er hat seine Methode durch die Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaftlern verfeinert, um beispielsweise extrem kleine Elektronikgeräte zu bauen, die sie für ihre Arbeit benötigen.

Vor zwei Monaten lieferten er und sein ehemaliger Student Aaron Michelson, jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter am Center for Functional Nanomaterials des Brookhaven National Laboratory, einen Prototyp für Mitarbeiter der University of Minnesota, die an der Entwicklung von in Mikrochips integrierten 3D-Lichtsensoren interessiert sind. Sie bauten die Sensoren, indem sie DNA-Gerüste auf einem Chip wachsen ließen und diese dann mit lichtempfindlichem Material beschichteten.

Dieses Gerät war nur das erste von vielen. In ihrem neuesten Artikel in Nature Materials , Gang und sein Team entwickeln eine inverse Designstrategie zur Schaffung der gewünschten 3D-Strukturen aus einer Reihe nanoskaliger DNA-Komponenten und Nanopartikel. Die Studie präsentiert vier weitere Anwendungen ihres „DNA-Origami“-Ansatzes für das Materialdesign:eine kristallähnliche Struktur, die aus eindimensionalen Fäden und zweidimensionalen Schichten besteht; eine Nachahmung der Materialien, die üblicherweise in Solarmodulen verwendet werden; ein weiterer Kristall, der sich in einem spiralförmigen Wirbel dreht; und für den Mitarbeiter Nanfang Yu, Professor für Angewandte Physik an der Columbia Engineering, eine Struktur, die Licht auf bestimmte Weise reflektiert, für sein Ziel, einen optischen Computer zu entwickeln.

Mithilfe fortschrittlicher Charakterisierungstechniken wie Synchrotron-basierter Röntgenstreuung und Elektronenmikroskopiemethoden an den Columbia und Brookhaven National Laboratories bestätigte das Team, dass die resultierenden Strukturen mit ihren Entwürfen übereinstimmten, und enthüllte die entworfenen Überlegungen zur Verbesserung der Strukturtreue. Jede dieser einzigartigen Strukturen baute sich in Gangs Labor in Wasserbrunnen zusammen. Diese Art der Materialbildung ist ihrer Natur nach parallel, da die Komponenten während des Montageprozesses zusammengefügt werden, was bei der 3D-Fertigung im Vergleich zu herkömmlichen Methoden erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen bedeutet. Der Herstellungsprozess ist außerdem umweltfreundlich, da die Montage in Wasser erfolgt.

„Diese Montagemethodik, gepaart mit der Automatisierung der Flüssigkeitsrobotik, an der ich derzeit am BNL arbeite, eröffnet neue Möglichkeiten für die Etablierung der 3D-Nanofertigung für ein breites Anwendungsspektrum“, sagte Brian Minevich, Co-Erstautor des Artikels, der promovierte. Student in Gangs Labor und ist jetzt Postdoktorand am BNL.

„Dies ist eine Plattform, die auf viele Materialien mit vielen unterschiedlichen Eigenschaften anwendbar ist:biologisch, optisch, elektrisch, magnetisch“, sagte Gang. Das Endergebnis hängt einfach vom Design ab.

DNA faltet sich vorhersehbar, da die vier Nukleinsäuren, aus denen sie besteht, nur in bestimmten Kombinationen paaren können. Aber wenn die gewünschte Struktur Millionen, wenn nicht Milliarden Teile enthält, wie findet man dann die richtige Startreihenfolge? Gang und seine Kollegen lösen diese Herausforderung mit einem inversen Strukturdesign-Ansatz. „Wenn wir die große Struktur mit der Funktion kennen, die wir erstellen möchten, können wir diese in kleinere Komponenten zerlegen, um unsere Bausteine mit strukturellen, bindenden und funktionalen Attributen zu erstellen, die zur Bildung der gewünschten Struktur erforderlich sind“, sagte Gang.

Die Bausteine sind DNA-Stränge, die sich zu einer mechanisch robusten oktaedrischen Form falten, die Gang als Voxel bezeichnet, mit Anschlüssen an jeder Ecke, die jedes Voxel miteinander verbinden. Viele Voxel können mithilfe der DNA-Kodierung so gestaltet werden, dass sie sich zu einem bestimmten, sich wiederholenden 3D-Motiv verbinden, ähnlich wie Puzzleteile ein komplexes Bild ergeben. Die sich wiederholenden Motive wiederum werden auch parallel zusammengesetzt, um die angestrebte hierarchisch organisierte Struktur zu schaffen. Mitarbeiter Sanat Kumar, Michael Bykhovsky und Charo Gonzalez-Bykhovsky Professor für Chemieingenieurwesen an der Columbia University, lieferte eine rechnerische Verifizierung von Gangs inversem Designansatz.

Um die inverse Designstrategie zu ermöglichen, müssen die Forscher herausfinden, wie sie diese DNA-basierten nanoskaligen „Puzzleteile“ mit der minimalen Anzahl entwerfen können, die zur Bildung der gewünschten Struktur erforderlich ist. „Man kann es sich wie das Komprimieren einer Datei vorstellen. Wir wollen die Informationsmenge minimieren, damit die DNA-Selbstorganisation möglichst effizient verläuft“, sagte Erstautor Jason Kahn, wissenschaftlicher Mitarbeiter am BNL und zuvor Postdoktorand in Gangs Gruppe. Dieser Algorithmus mit dem Namen „Mapping of Structurally Encoded Assembly“ (MOSES) ähnelt einer nanoskaligen CAD-Software, fügte Gang hinzu. „Es wird Ihnen sagen, welches DNA-Voxel Sie verwenden müssen, um ein bestimmtes, willkürlich definiertes, hierarchisch geordnetes 3D-Gitter zu erstellen.“

Von dort aus können Sie den DNA-Voxeln verschiedene Arten von Nano-„Fracht“ hinzufügen, die der endgültigen Struktur bestimmte Eigenschaften verleihen. Beispielsweise wurden Goldnanopartikel eingebettet, um einzigartige optische Eigenschaften zu verleihen, wie in Yus Experimenten gezeigt wurde. Aber wie bereits gezeigt, können sowohl anorganische als auch biologische Nanokomponenten in diese DNA-Gerüste integriert werden.

Nachdem das Gerät zusammengebaut war, „mineralisierte“ es das Team auch. Sie beschichteten Gerüste mit Siliziumdioxid und setzten sie dann Hitze aus, um die DNA zu zersetzen, wodurch das ursprüngliche organische Gerüst effektiv in eine äußerst robuste anorganische Form umgewandelt wurde.

Gang arbeitet weiterhin mit Kumar und Yu zusammen, um Designprinzipien aufzudecken, die die Konstruktion und Montage komplexer Strukturen ermöglichen, in der Hoffnung, noch kompliziertere Designs zu realisieren, einschließlich eines 3D-Schaltkreises, der die komplexe Konnektivität des menschlichen Gehirns nachahmen soll.

„Wir sind auf dem besten Weg, eine Bottom-up-3D-Nanofertigungsplattform zu etablieren. Wir betrachten dies als 3D-Druck der nächsten Generation im Nanomaßstab, aber vorerst ermöglicht uns die Leistungsfähigkeit der DNA-basierten Selbstorganisation, eine massiv parallele Fertigung zu etablieren“, sagte Gang.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Oleg Gang unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.