Des nanoparticules (boules jaunes) coiffées d'ADN court simple brin (lignes ondulées bleues) sont mélangées à des cadres d'ADN polyédriques (de haut en bas) :cube, octaèdre, bipyramide carrée allongée, prisme, et bipyramide triangulaire. Les sommets des cadres sont codés avec des brins d'ADN complémentaires pour la liaison des nanoparticules. Lorsque les trames et particules correspondantes se mélangent, ils forment un cadre. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Un cube, un octaèdre, un prisme - ce sont parmi les structures polyédriques, ou cadres, fait d'ADN que les scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) ont conçu pour connecter des nanoparticules dans une variété de réseaux tridimensionnels (3D) structurés avec précision. Les scientifiques ont également développé une méthode pour intégrer des nanoparticules et des trames d'ADN dans des modules d'interconnexion, élargir la diversité des structures possibles.
Ces réalisations, décrit dans des articles publiés dans Matériaux naturels et Chimie de la nature , pourrait permettre la conception rationnelle de nanomatériaux à optique améliorée ou combinée, électrique, et les propriétés magnétiques pour atteindre les fonctions souhaitées.
"Nous visons à créer des nanostructures auto-assemblées à partir de plans, " a déclaré le physicien Oleg Gang, qui a dirigé cette recherche au Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à Brookhaven. "La structure de nos assemblages de nanoparticules est principalement contrôlée par la forme et les propriétés de liaison de cadres d'ADN conçus avec précision, pas par les nanoparticules elles-mêmes. En nous permettant de concevoir différents réseaux et architectures sans avoir à manipuler les particules, notre méthode ouvre de grandes opportunités pour concevoir des nanomatériaux avec des propriétés qui peuvent être améliorées en organisant avec précision les composants fonctionnels. Par exemple, nous pourrions créer des matériaux absorbant la lumière ciblés qui exploitent l'énergie solaire, ou des matériaux magnétiques qui augmentent la capacité de stockage d'informations."
Cadres conçus pour les structures souhaitées
L'équipe de Gang a déjà exploité l'appariement de bases complémentaires de l'ADN - la liaison hautement spécifique de bases connues par les lettres A, T, G, et C qui constituent les barreaux de l'« échelle » à double hélice de l'ADN — pour rassembler les particules de manière précise. Les particules recouvertes de brins simples d'ADN se lient aux particules recouvertes de brins complémentaires (A se lie à T et G se lie à C) tout en repoussant les particules recouvertes de brins non complémentaires.
Ils ont également conçu des cadres d'ADN 3D dont les coins ont des attaches d'ADN simple brin auxquelles des nanoparticules recouvertes de brins complémentaires peuvent se lier. Lorsque les scientifiques mélangent ces nanoparticules et ces cadres, les composants s'auto-assemblent en treillis qui sont principalement définis par la forme du cadre conçu. L'article de Nature Materials décrit les structures les plus récentes réalisées à l'aide de cette stratégie.
« Dans notre approche, nous utilisons des cadres d'ADN pour favoriser les interactions directionnelles entre les nanoparticules de telle sorte que les particules se connectent dans des configurations spécifiques qui permettent d'obtenir les matrices 3D souhaitées, " dit Ye Tian, auteur principal sur le Matériaux naturels article et membre de l'équipe de recherche de Gang. "La géométrie de chaque cadre de liaison de particules est directement liée au type de réseau, bien que la nature exacte de cette relation soit encore à l'étude."
Jusque là, l'équipe a conçu cinq formes de cadres polyédriques :un cube, un octaèdre, une bipyramide carrée allongée, un prisme, et une bypyramide triangulaire, mais une variété d'autres formes pourraient être créées.
"L'idée est de construire différentes structures 3D (bâtiments) à partir d'une même nanoparticule (brique), " dit Gang. " Habituellement, les particules doivent être modifiées pour produire les structures souhaitées. Notre approche réduit considérablement la dépendance de la structure à la nature de la particule, qui peut être de l'or, argent, fer à repasser, ou toute autre matière inorganique."
ADN origami
Pour concevoir les cadres, l'équipe a utilisé l'origami ADN, une technique d'auto-assemblage dans laquelle de courts brins synthétiques d'ADN (brins de base) sont mélangés avec un seul brin plus long d'ADN biologiquement dérivé (brin d'échafaudage). Lorsque les scientifiques chauffent et refroidissent ce mélange, les brins d'agrafes se lient sélectivement avec ou "agrafent" le brin d'échafaudage, provoquant le repli répété du brin d'échafaudage sur lui-même. Un logiciel informatique les aide à déterminer les séquences spécifiques pour plier l'ADN dans les formes souhaitées.
Le repliement de l'échafaudage d'ADN simple brin introduit des points d'ancrage qui contiennent des extrémités « collantes » libres – des chaînes non appariées de bases d'ADN – où les nanoparticules recouvertes d'attaches simple brin complémentaires peuvent se fixer. Ces extrémités collantes peuvent être positionnées n'importe où sur le cadre d'ADN, mais l'équipe de Gang a choisi les coins pour que plusieurs cadres puissent être connectés.
Un diagramme schématique (à gauche) montrant comment une nanoparticule (boule jaune) est incorporée dans un cadre d'ADN de type carré. Les brins d'ADN à l'intérieur du cadre (lignes ondulées bleues) sont complémentaires des brins d'ADN sur la nanoparticule; les brins colorés sur les bords extérieurs du cadre ont différentes séquences d'ADN qui déterminent comment les modules de nanoparticules à cadre d'ADN peuvent se connecter. L'architecture montrée (au milieu) est une représentation simpliste à l'échelle nanométrique de l'Homme de Vitruve de Léonard de Vinci, assemblés à partir de plusieurs types de modules. Les scientifiques ont utilisé la microscopie à force atomique pour générer l'image à fort grossissement de cet assemblage (à droite). Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Pour chaque forme de cadre, le nombre de brins d'ADN reliant un coin du cadre à une nanoparticule individuelle est équivalent au nombre d'arêtes convergeant à ce coin. Les cadres de cube et de prisme ont trois brins à chaque coin, par exemple. En fabriquant ces attaches d'angle avec un nombre variable de bases, les scientifiques peuvent ajuster la flexibilité et la longueur des liaisons particule-cadre.
Les distances interparticulaires sont déterminées par les longueurs des bords du cadre, qui sont des dizaines de nanomètres dans les montures conçues à ce jour, mais les scientifiques disent qu'il devrait être possible d'adapter les cadres pour atteindre toutes les dimensions souhaitées.
Les scientifiques ont vérifié les structures de trame et les arrangements de nanoparticules par cryo-microscopie électronique (un type de microscopie réalisée à très basse température) au CFN et au département de biologie de Brookhaven, et la diffusion des rayons X à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à Brookhaven.
Des briques aux Legos
Dans le Chimie de la nature papier, L'équipe de Gang a décrit comment ils ont utilisé une approche similaire basée sur l'ADN pour créer deux dimensions programmables (2D), des cadres d'ADN de type carré autour de nanoparticules uniques.
Les brins d'ADN à l'intérieur des cadres assurent le couplage à l'ADN complémentaire sur les nanoparticules, tenant essentiellement la particule à l'intérieur du cadre. Chaque côté extérieur du cadre peut être codé individuellement avec différentes séquences d'ADN. Ces brins d'ADN externes guident la reconnaissance et la connexion cadre-cadre.
Gang compare ces modules de nanoparticules encadrés d'ADN à des Legos dont les interactions sont programmées :entièrement déterminé par l'appariement complémentaire des bases d'ADN sur les côtés du cadre."
(Dans le sens des aiguilles d'une montre à partir de l'arrière gauche) Yugang Zhang, Oleg Gang, Alexeï Tkachenko, et Ye Tian dans un laboratoire de cryomicroscopie électronique au Centre des nanomatériaux fonctionnels de Brookhaven. L'équipe de recherche de Gang a utilisé la microscopie cryoélectronique pour produire l'image affichée à l'écran - un super-réseau de nanoparticules assemblées avec les cadres d'ADN que l'équipe a conçus. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
En d'autres termes, les cadres déterminent non seulement si les nanoparticules se connecteront mais aussi comment elles se connecteront. La programmation des côtés de la trame avec des séquences d'ADN spécifiques signifie que seules les trames avec des séquences complémentaires peuvent se lier.
Le mélange de différents types de modules peut produire une variété de structures, similaire aux constructions qui peuvent être générées à partir de pièces Lego. En créant une bibliothèque des modules, les scientifiques espèrent pouvoir assembler des structures à la demande.
Assemblage prévisible de nanomatériaux multifonctionnels
La sélectivité des connexions permet de combiner différents types et tailles de nanoparticules en des structures uniques.
La géométrie des connexions, ou comment les particules sont orientées dans l'espace, est très important pour concevoir des structures avec les fonctions souhaitées. Par exemple, des nanoparticules optiquement actives peuvent être disposées dans une géométrie particulière pour tourner, filtre, absorber, et émettent de la lumière - des capacités pertinentes pour les applications de récupération d'énergie, tels que les écrans d'affichage et les panneaux solaires.
En utilisant différents modules de la "bibliothèque, " L'équipe de Gang a démontré l'auto-assemblage de réseaux linéaires unidimensionnels, chaînes "zigzag", grappes carrées et en croix, et des réseaux carrés 2D. Les scientifiques ont même généré un modèle nanométrique simpliste de l'Homme de Vitruve de Léonard de Vinci.
"Nous voulions démontrer que des architectures complexes de nanoparticules peuvent être auto-assemblées en utilisant notre approche, " dit Gang.
De nouveau, les scientifiques ont utilisé des techniques d'imagerie sophistiquées - microscopie électronique et à force atomique au CFN et diffusion des rayons X au NSLS-II - pour vérifier que leurs structures étaient cohérentes avec les conceptions prescrites et pour étudier le processus d'assemblage en détail.
« Bien que de nombreuses études supplémentaires soient nécessaires, nos résultats montrent que nous progressons vers notre objectif de créer de la matière conçue via l'auto-assemblage, incluant des réseaux de particules périodiques et des nanoarchitectures complexes avec des formes libres, " a déclaré Gang. " Notre approche est passionnante car il s'agit d'une nouvelle plate-forme pour la fabrication à l'échelle nanométrique, celui qui peut conduire à une variété de matériaux fonctionnels conçus de manière rationnelle."
