Zrób to sam Nanotech

Podczas gdy naukowcy manipulowali już atomami, aby litery były wystarczająco małe, aby zmieściły się wszystkie słowa Encyklopedii Britannica na główce szpilki, oraz zbudowali podstawowe komputery i maszyny molekularne, te wyczyny pozostają nowością, której tworzenie zależy od trudnych i kosztownych metod.

Ale już Paweł Rothemund , informatyk z Caltech, wywodzący się z biologii, opracował stosunkowo niedrogi sposób na szybkie projektowanie i budowanie dowolnych kształtów i wzorów przy użyciu DNA – i, jak mówi, jest wystarczająco prosty w użyciu dla uczniów szkół średnich. Ponieważ z DNA można łączyć różne cząsteczki i nanocząsteczki, technika ta może być sposobem na szybkie odwzorowywanie elementów tak różnorodnych, jak białka i nanorurki półprzewodnikowe, co może prowadzić do powstania drobnych urządzeń elektronicznych lub urządzeń do badania komórek na niespotykanym dotąd poziomie szczegółowości.

[ Kliknij tutaj, aby zobaczyć obrazy niektórych z tych samoorganizujących się kształtów DNA.]

To naprawdę spektakularna praca. Jestem tym bardzo podekscytowany, mówi William Shih , profesor chemii biologicznej i farmakologii molekularnej w Harvard Medical School, który obecnie pracuje nad rozszerzeniem techniki Rothemund o budowanie struktur trójwymiarowych. Jak mówi, praca Rothemunda objęła niewielką dziedzinę nanotechnologii DNA i otworzyła ją na narzędzie głównego nurtu, czyniąc ją o jeden lub dwa rzędy wielkości tańszą i łatwiejszą do wykonania.

Nadriana Seemana , chemik z New York University, który był pionierem w wykorzystaniu DNA do konstruowania złożonych kształtów, mówi: Zwiększając skalę, jest w stanie wytwarzać bardziej skomplikowane i większe wzory niż było to praktyczne w przypadku poprzednich metod. To ekscytujący postęp, który prawdopodobnie zrewolucjonizuje tworzenie wzorów na tę skalę.

W metodzie Rotemunda długa nić DNA wije się tam i z powrotem, aż utworzy pożądany kształt. Kluczem do uformowania DNA w ten sposób i utrzymania go w miejscu są krótkie zszywki DNA z sekwencjami wybranymi do przyłączenia się do określonych części długiej nici. Rothemund dzieli długie pasmo na sekcje; wtedy zszywka może przyczepić się do sekcji 86 i 112, na przykład, łącząc je ze sobą i powodując zagięcie długiego pasma. Kilkaset unikalnych zszywek może zwinąć DNA w odpowiedni kształt.

Program komputerowy zajmuje się identyfikacją sekwencji, które muszą mieć zszywki. Projektuję [strukturę], którą chcę na komputerze, mówi Rothemund. Wypluwa zestaw 250 sekwencji DNA. zamawiam je; przychodzą pocztą w pęku małych rurek. Łączę je ze sobą [wraz z długą nicią DNA], dodaję trochę soli, podgrzewam do wrzenia i schładzam do około temperatury pokojowej i gotowe. Po zmieszaniu nici DNA łączą się w pożądaną strukturę.

Takie metody samoorganizacji można wykorzystać do wykonania dowolnego kształtu lub wzoru o średnicy 100 nanometrów lub mniejszej, z cechami oddalonymi o około 6 nanometrów. Dla porównania, czerwona krwinka ma średnicę około 7000 nanometrów. Artykuł opisujący pracę Rothemunda ukazujący się dziś w czasopiśmie Natura demonstruje wszechstronność tej techniki ze zdjęciami uśmiechniętych buźek, kwadratów, trójkątów i gwiazd (kliknij tutaj). Ale Rothemund może również tworzyć skomplikowane wzory na tych kształtach – na przykład narysował mapę półkuli zachodniej w skali 1:200, która mogłaby zmieścić się w komórce.

Według Rothemund zaprojektowanie każdej konstrukcji zajęło około tygodnia. Potem biliony egzemplarzy samoczynnie składają się w ciągu zaledwie kilku godzin – ta szybkość produkcji to jedna z cech, które sprawiają, że samodzielny montaż jest tak atrakcyjny.

Jednak w tej chwili technika jest rozwiązaniem w poszukiwaniu problemu. Ale Rothemund i inni, tacy jak Shih, spodziewają się, że wkrótce pojawią się praktyczne zastosowania, ponieważ naukowcy dowiedzą się, jak łatwa jest ta technika i znajdą sposoby na zastosowanie jej do konkretnych problemów. Jedną z możliwości jest modelowanie urządzeń elektronicznych na mniejszą skalę niż jest to możliwe przy użyciu dzisiejszych metod litografii optycznej. Thomas LaBean , chemik i informatyk z Duke University, który opracował inną technikę samoorganizacji DNA ogólnego przeznaczenia, która jest nieco trudniejsza i ma niższą rozdzielczość niż Rothemund, opracowuje jednoelektronowe tranzystory wzorowane DNA, które mogą służyć jako komponenty dla takiego urządzenia.

Jednak zanim pojawią się działające urządzenia wykorzystujące tę metodę, pozostają jeszcze poważne wyzwania. W przypadku samodzielnego montażu występuje nieodłączny wskaźnik błędów, mówi Shih z Harvardu. Na przykład, w przeciwieństwie do dzisiejszych komputerów, samoskładające się komputery będą musiały wykrywać niedziałające komponenty i obchodzić się z nimi. Ponadto wiele zastosowań będzie wymagało większych wzorów niż dotychczas wykonane przez firmę Rothemund. Wyjaśnia, że ​​jednym z potencjalnych rozwiązań tego problemu, które Rothemund wypróbował już z ograniczonym powodzeniem, jest łączenie mniejszych kształtów za pomocą nici DNA, podobnie jak komórki łączą się, aby zbudować organizm.

Ponadto, chociaż nowa technika jest przystępna cenowo dla laboratoriów, nie jest jeszcze wystarczająco tania do wytwarzania materiałów sypkich. Jak mówi Shih, samoorganizacja, którą już wykazano, może być praktyczna przy budowaniu nanomacierzy, które mogą mierzyć dokładną zawartość pojedynczych komórek, umożliwiając biologom lepsze poznanie ról odgrywanych przez poszczególne komórki, na przykład te w układzie nerwowym.

W rzeczywistości nie pomyślano jeszcze o najlepszej aplikacji. Nie czuję się zniechęcony, że nie znaleźliśmy jeszcze super-zabójczych zastosowań, mówi Shih. Możliwość złożenia bilionów molekularnie precyzyjnych urządzeń to coś, czego po prostu nie byliśmy w stanie zrobić. A teraz nagle mamy tę metodę, dzięki której możemy to zrobić za przystępną cenę. Nie jest oczywiste, jakie będą te wypłaty, ale wszyscy czujemy, że tam są.

Lloyd Smith , chemik z University of Wisconsin w Madison, autor komentarza do pracy w Natura , pisał, Być może jesteśmy teraz bardziej ograniczeni naszą wyobraźnią niż naszymi zdolnościami.

ukryć