Le concept de moulage de nanoparticules à l'intérieur de moules à ADN est très similaire à la méthode japonaise de culture de pastèques à l'intérieur de boîtes de verre en forme de cube. Crédit :Institut Wyss de Harvard / Peng Yin
Des chercheurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'Université Harvard ont dévoilé une nouvelle méthode pour former de minuscules nanoparticules métalliques 3D dans des formes et des dimensions prescrites à l'aide d'ADN, Bloc de construction de la nature, comme moule de construction.
La capacité de mouler des nanoparticules inorganiques à partir de matériaux tels que l'or et l'argent dans des formes 3D conçues avec précision est une avancée significative qui a le potentiel de faire progresser la technologie laser, microscopie, cellules solaires, électronique, tests environnementaux, détection de maladies et plus encore.
"Nous avons construit de minuscules fonderies faites d'ADN rigide pour fabriquer des nanoparticules métalliques dans des formes tridimensionnelles exactes que nous avons planifiées et conçues numériquement, " dit Peng Yin, auteur principal de l'article, Membre principal du corps professoral de Wyss et professeur adjoint de biologie des systèmes à la Harvard Medical School.
Les découvertes de l'équipe Wyss, décrit dans un article intitulé « Casting Inorganic Structures with DNA Molds, " ont été publiés aujourd'hui dans Science . Le travail a été réalisé en collaboration avec le Laboratoire de biologie computationnelle et de biophysique du MIT, dirigé par Mark Bathe, co-auteur principal de l'article.
"Les résultats de l'article décrivent une avancée significative dans la nanotechnologie de l'ADN ainsi que dans la synthèse de nanoparticules inorganiques, " dit Yin. Pour la toute première fois, une stratégie générale de fabrication de nanoparticules inorganiques avec des formes 3D spécifiées par l'utilisateur a été réalisée pour produire des particules aussi petites que 25 nanomètres ou moins, avec une précision remarquable (moins de 5 nanomètres). Une feuille de papier fait environ 100, 000 nanomètres d'épaisseur.
Les nanoparticules inorganiques 3D sont d'abord conçues et méticuleusement planifiées à l'aide d'un logiciel de conception informatique. A l'aide du logiciel, les chercheurs conçoivent des "cadres" tridimensionnels de la taille et de la forme souhaitées construits à partir de séquences d'ADN linéaires, qui s'attirent et se lient les unes aux autres de manière prévisible.
En créant des moules à partir d'ADN rigide, les chercheurs ont réussi à jeter des "graines" d'or dans des nanoparticules métalliques complexes. De gauche à droite, cette particule polygonale 3D a été formée en concevant un moule d'ADN, planter une graine d'or, puis forçant chimiquement la graine à se développer jusqu'à sa formation complète. Crédit :Institut Wyss de Harvard
"Au cours des années, les scientifiques ont très bien réussi à créer des formes 3D complexes à partir de l'ADN en utilisant diverses stratégies, " dit Wei Sun, chercheur postdoctoral au laboratoire de systèmes moléculaires de Wyss et auteur principal de l'article. Par exemple, en 2012, l'équipe de Wyss a révélé comment la conception assistée par ordinateur pouvait être utilisée pour construire des centaines d'auto-assemblage différents, deux-, et des nanoformes d'ADN tridimensionnelles avec une précision parfaite. C'est cette capacité à concevoir des nanostructures arbitraires en utilisant la manipulation de l'ADN qui a inspiré l'équipe Wyss à envisager d'utiliser ces structures d'ADN comme fonderies pratiques, ou "moules", pour les substances inorganiques.
"Le défi était de traduire ce type de contrôle géométrique 3D en la capacité de couler des structures dans d'autres matériaux divers et fonctionnels, comme l'or et l'argent, " dit Soleil.
Tout comme n'importe quel matériau expansible peut être façonné à l'intérieur d'un moule pour prendre une forme 3D définie, l'équipe Wyss a entrepris de faire croître des particules inorganiques dans les espaces creux confinés de nanostructures d'ADN rigides
Le concept peut être comparé à la méthode japonaise de culture de pastèques dans des cubes de verre. En cultivant les graines de pastèque jusqu'à maturité dans des boîtes en verre en forme de cube, Les agriculteurs japonais créent des melons mûrs en forme de cube qui permettent l'expédition et le stockage densément emballés des fruits.
Les chercheurs de Wyss ont également planté une minuscule "graine" d'or à l'intérieur de la cavité creuse de leur moule d'ADN en forme de cube soigneusement conçu, puis l'ont stimulée à se développer. A l'aide d'une solution chimique d'activation, la graine d'or a grandi et s'est étendue pour remplir tout l'espace existant dans le cadre de l'ADN, aboutissant à une nanoparticule cuboïde ayant les mêmes dimensions que son moule., avec la longueur, largeur et hauteur de la particule pouvant être contrôlées indépendamment.
Prochain, les chercheurs ont fabriqué des formes polygonales 3D variées, sphères, et des structures plus ambitieuses, telle qu'une nanoparticule 3D en forme de Y et une autre structure comprenant une forme cuboïde prise en sandwich entre deux sphères, prouver que des nanoparticules structurellement diverses pouvaient être façonnées à l'aide de conceptions complexes de moules à ADN.
Compte tenu de leur taille incroyablement petite, il peut être surprenant que les moules à ADN rigides soient proportionnellement assez robustes et solides, capable de résister aux pressions des matériaux inorganiques en expansion. Bien que l'équipe ait sélectionné des semis d'or pour mouler leurs nanoparticules, il existe une large gamme de nanoparticules inorganiques qui peuvent être façonnées de force grâce à ce processus de nanomoulage d'ADN.
Une propriété très utile est qu'une fois coulé, ces nanoparticules peuvent conserver la charpente du moule d'ADN en tant que revêtement extérieur, permettant une modification de surface supplémentaire avec une précision nanométrique impressionnante. Ces revêtements peuvent également aider les scientifiques à développer des des méthodes multiplex de détection des cancers à un stade précoce et des maladies génétiques en combinant la spécificité chimique de l'ADN avec la lecture du signal du métal. Pour les particules qui rempliraient mieux leur fonction en étant aussi électriquement conductrices que possible, comme dans les très petits nano-ordinateurs et les circuits électroniques, le revêtement d'armature d'ADN est rapidement et facilement décomposé et retiré pour produire des fils et des connecteurs en métal pur.
« Les propriétés de l'ADN qui lui permettent de s'auto-assembler et de coder les éléments constitutifs de la vie ont été exploitées, reconçu et repensé pour la nano-fabrication de matériaux inorganiques, " dit Don Ingber, Directeur fondateur de l'Institut Wyss. "Cette capacité devrait ouvrir des stratégies entièrement nouvelles pour des domaines allant de la miniaturisation informatique à la détection de l'énergie et des agents pathogènes."
