Les scientifiques ont construit des octaèdres en utilisant des structures en forme de corde constituées de faisceaux de molécules d'ADN à double hélice pour former les cadres (a). Des brins simples d'ADN attachés aux sommets (numérotés en rouge) peuvent être utilisés pour attacher des nanoparticules recouvertes de brins complémentaires. Cette approche peut produire une variété de structures, y compris celles avec le même type de particule à chaque sommet (b), arrangements avec des particules placées uniquement sur certains sommets (c), et des structures avec différentes particules placées stratégiquement sur différents sommets (d). Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Dans une nouvelle tournure sur l'utilisation de l'ADN dans la construction à l'échelle nanométrique, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) et des collaborateurs ont utilisé des brins synthétiques du matériel biologique de deux manières :ils ont utilisé des configurations en forme de corde de la double hélice d'ADN pour former un cadre géométrique rigide, et ajouté des morceaux d'ADN simple brin pendants pour coller les nanoparticules en place.
La méthode, décrit dans le journal Nature Nanotechnologie , a produit des clusters et des matrices prévisibles de nanoparticules - une étape importante vers la conception de matériaux avec des structures et des fonctions sur mesure pour des applications dans le domaine de l'énergie, optique, et médecine.
"Ces réseaux de nanoparticules avec des configurations géométriques prévisibles sont quelque peu analogues à des molécules constituées d'atomes, " a déclaré le physicien de Brookhaven Oleg Gang, qui a mené le projet au Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN), une installation utilisateur du DOE Office of Science. "Alors que les atomes forment des molécules en fonction de la nature de leurs liaisons chimiques, il n'y a pas eu de moyen facile d'imposer un tel schéma de liaison spatiale spécifique aux nanoparticules. C'est exactement le problème que notre méthode résout."
En utilisant la nouvelle méthode, les scientifiques disent qu'ils peuvent potentiellement orchestrer les arrangements de différents types de nanoparticules pour profiter d'effets collectifs ou synergiques. Les exemples pourraient inclure des matériaux qui régulent le flux d'énergie, faire pivoter la lumière, ou délivrer des biomolécules.
"Nous pourrons peut-être concevoir des matériaux qui imitent les machines de la nature pour récolter l'énergie solaire, ou manipuler la lumière pour des applications de télécommunications, ou concevoir de nouveaux catalyseurs pour accélérer une variété de réactions chimiques, " dit Gang.
Les scientifiques ont démontré la technique pour concevoir des architectures de nanoparticules à l'aide d'un échafaudage octaédrique avec des particules positionnées à des emplacements précis sur l'échafaudage en fonction de la spécificité du codage de l'ADN. Les conceptions comprenaient deux arrangements différents du même ensemble de particules, où chaque configuration avait des caractéristiques optiques différentes. Ils ont également utilisé les clusters géométriques comme blocs de construction pour de plus grands réseaux, y compris les chaînes linéaires et les feuilles planes bidimensionnelles.
"Notre travail démontre la polyvalence de cette approche et ouvre de nombreuses opportunités passionnantes pour l'assemblage de précision à haut rendement de blocs de construction 3D sur mesure dans lesquels plusieurs nanoparticules de différentes structures et fonctions peuvent être intégrées, " a déclaré Ye Tian, scientifique du CFN, l'un des principaux auteurs de l'article.
Détails de l'assemblage
Une image combinée de cryo-microscopie électronique d'un cadre octaédrique avec une nanoparticule d'or liée à chacun des six sommets, montré sous trois angles différents. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Cette approche de construction à l'échelle nanométrique tire parti de deux caractéristiques clés de la molécule d'ADN :la forme en double hélice en échelle torsadée, et la tendance naturelle des brins à bases complémentaires (le A, T, G, et les lettres C du code génétique) pour s'apparier de manière précise.
D'abord, les scientifiques ont créé des faisceaux de six molécules à double hélice, puis assemblez quatre de ces paquets pour former une écurie, matériau de construction quelque peu rigide, semblable à la façon dont les brins fibreux individuels sont tissés ensemble pour former une corde très solide. Les scientifiques ont ensuite utilisé ces poutres en forme de corde pour former la charpente d'octaèdres tridimensionnels, « agrafer » les chaînes d'ADN linéaires avec des centaines de courts brins d'ADN complémentaires.
"Nous les appelons octaèdres d'origami d'ADN, " dit Gang.
Pour permettre de "coller" des nanoparticules sur les trames 3D, les scientifiques ont conçu chacun des faisceaux originaux à six hélices pour avoir une hélice avec un morceau d'ADN simple brin supplémentaire dépassant des deux extrémités. Une fois assemblé dans les octaèdres 3D, chaque sommet du cadre avait quelques-unes de ces attaches "à extrémité collante" disponibles pour la liaison avec des objets recouverts de brins d'ADN complémentaires.
"Lorsque des nanoparticules recouvertes d'attaches simple brin sont mélangées aux octaèdres d'origami d'ADN, les morceaux d'ADN « libres » se retrouvent pour que les bases puissent s'apparier selon les règles du code de complémentarité de l'ADN. Thus the specifically DNA-encoded particles can find their correspondingly designed place on the octahedron vertices" Gang said.
The scientists can change what binds to each vertex by changing the DNA sequences encoded on the tethers. Dans une expérience, they encoded the same sequence on all the octahedron's tethers, and attached strands with a complementary sequence to gold nanoparticles. The result:One gold nanoparticle attached to each of octahedron's six vertices.
By strategically placing tethers on particular vertices, the scientists used the octahedrons to link nanoparticles into one-dimensional chainlike arrays (left) and two-dimensional square sheets (right). Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
In additional experiments the scientists changed the sequence of some vertices and used complementary strands on different kinds of particles, illustrating that they could direct the assembly and arrangement of the particles in a very precise way. In one case they made two different arrangements of the same three pairs of particles of different sizes, producing products with different optical properties. They were even able to use DNA tethers on selected vertices to link octahedrons end to end, forming chains, and in 2D arrays, forming sheets.
Visualization of arrays
Confirming the particle arrangements and structures was a major challenge because the nanoparticles and the DNA molecules making up the frames have very different densities. Certain microscopy techniques would reveal only the particles, while others would distort the 3D structures.
To see both the particles and origami frames, the scientists used cryo-electron microscopy (cryo-EM), led by Brookhaven Lab and Stony Brook University biologist Huilin Li, an expert in this technique, and Tong Wang, the paper's other lead co-author, who works in Brookhaven's Biosciences department with Li. They had to subtract information from the images to "see" the different density components separately, then combine the information using single particle 3D reconstruction and tomography to produce the final images.
"Cryo-EM preserves samples in their near-native states and provides close to nanometer resolution, " Wang said. "We show that cryo-EM can be successfully applied to probe the 3D structure of DNA-nanoparticle clusters."
These images confirm that this approach to direct the placement of nanoparticles on DNA-encoded vertices of molecular frames could be a successful strategy for fabricating novel nanomaterials.
