Fig. 1 . Formation spontanée de nanofils d'ADN alignés. ( UNE ) Illustrations schématiques de la formation spontanée d'un réseau de nanofils d'ADN par le repliement cutané induit par des filaments d'eau contenant des molécules d'ADN. ( B ) Images séquentielles au microscope optique d'une goutte de solution d'ADN s'étalant sur les rides (t =5 min, ≈ -0,03) ; la transition de pli à pli se produit à la limite et se propage avec le bord de la gouttelette. ( C ) Image AFM d'un réseau de nanofils d'ADN s'étendant de la frontière (t =2 min, ≈ -0,02). Les profils de ligne pour chaque région sont affichés à côté de l'image. (Barres d'échelle : B , 50 µm et C , 4 µm). Crédits :Nagashimaa S, Haa HD, Kima DH, Košmrljb A, Pierre HA, Moon M-W (2017) Formation spontanée de nanofils d'ADN alignés par repliement cutané induit par capillarité. Proc Natl Acad Sci États-Unis 114:24 6233-6237.
(Phys.org)—Les nanofils fabriqués à partir d'ADN (acide désoxyribonucléique)—l'un des nombreux types de nanofils moléculaires incorporant des unités moléculaires répétitives—sont exactement cela :des nanostructures à base d'ADN de type filaire géométriquement définies différemment comme ayant un diamètre de 1 à 10 nm (10 -9 m) diamètre ou un rapport longueur/diamètre> 1000. Alors que les nanofils peuvent être fabriqués à partir de plusieurs matériaux organiques et inorganiques, Il a été démontré que les nanofils d'ADN fournissent une gamme d'applications précieuses dans l'auto-assemblage programmé 1, 2 de matériaux fonctionnels, y compris les nanofils métalliques et semi-conducteurs destinés à être utilisés dans les appareils électroniques, ainsi que biologiques, médical, et applications d'analyse génétique 3, 4, 5 . Cela étant dit, L'adoption des nanofils d'ADN a été limitée en raison des limites historiques de la capacité de contrôler leurs paramètres structurels, en particulier, Taille, géométrie et alignement. Récemment, cependant, des scientifiques de l'Institut coréen des sciences et de la technologie et de l'Université de Princeton ont tiré parti des forces capillaires de l'eau contenant des molécules d'ADN pour démontrer des nanofils d'ADN alignés droits ou ondulés à taille réglable qui ont été formés spontanément par l'eau entrant dans les canaux ridés d'une peau fine comprimée sur un substrat mou, qui a par la suite induit une transition de pli à pli.
Professeur assistant et auteur principal So Nagashima, Professeur adjoint Andrej Košmrlj, Donald R. Dixon '69 et Elizabeth W. Dixon Professeur Howard A. Stone, et le chercheur principal Myoung-Woon Moon ont discuté de l'article qu'eux-mêmes et leurs co-auteurs ont publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences . "Je pense que l'aspect le plus difficile de la conception de notre méthode d'utilisation d'un gabarit de peau mince qui réagit à l'eau en modifiant dynamiquement sa morphologie de surface était de trouver les conditions dans lesquelles la transition des rides au pli se produit, " La lune raconte Phys.org . « Les conditions critiques en fonction de la contrainte appliquée, géométries initiales des rides, et l'épaisseur de la couche de peau déterminée par la durée du traitement au plasma d'oxygène étaient difficiles à trouver. ceci étant dû à la transition dynamique s'effectuant à l'échelle submicronique.
Lors de l'induction d'une transition de pli à pli à la surface du modèle en exploitant les forces capillaires de l'eau contenant des molécules d'ADN, Stone fait remarquer, l'observation que l'eau modifie la transition des plis aux plis est nouvelle. "Pour autant que nous sachions, la nôtre est la première étude à montrer cet effet, tout comme la démonstration d'une utilisation de tels plis pour l'alignement de l'ADN. De plus, le contrôle de la tension superficielle ou des forces capillaires résultantes et de la zone de formation des plis est relativement difficile - et en ajoutant des molécules d'ADN à l'eau, il apparaît que la tension superficielle est modifiée, donc la longueur de transition de pli était plus courte."
La préparation du gabarit a utilisé un traitement au plasma d'oxygène de polydiméthylsiloxane pré-étiré (ou PDMS, un composé polymérique organosilicié) substrats pour des durées variables. "En réalité, " Lune explique, « la manipulation du PDMS avec pré-étirage est une méthode relativement bien développée tout comme le traitement plasma oxygène :les deux ont été discutés dans la littérature. On peut faire des échantillons avec des tailles diverses de quelques millimètres à quelques centimètres, qui peut également être fabriqué sur une surface beaucoup plus grande. » Moon note que les chercheurs peuvent également faire varier les propriétés mécaniques du polydiméthylsiloxane – pour le rendre plus étirable, souple ou flexible—en modifiant le rapport entre l'élastomère et l'agent de réticulation pour la préparation du PDMS.
Un aspect clé de l'étude a été de confirmer que la nouvelle méthode manipule de manière fiable la taille des nanofils d'ADN, géométrie, et l'alignement. "En ajustant les conditions d'étirement, durée du traitement plasma, et post-compression du PDMS étiré, Les nanofils d'ADN peuvent être un demi-cylindre, un cylindre parfait, ou en forme de fil ondulé, " La lune raconte Phys.org . "En modifiant les géométries des plis telles que l'amplitude - qui est régie par la contrainte - on peut contrôler la distance entre les fils dans le canal de pliage." Distances plus grandes entre les fils, il continue, peut être accompli en compressant moins le PDMS, tout en comprimant davantage le substrat, on obtient des distances plus petites.
Pour relever ces défis, les scientifiques ont découvert une transformation résultant de forces capillaires qui agissent au bord d'une goutte d'eau qui peut, avec seulement 1% de compression, transformer les rides en plis, qui en l'absence d'une goutte de liquide ne se forment qu'à très haute (~30 %) compression. En outre, Lune ajoute, des substances plus petites telles que des biomolécules ou des nanoparticules peuvent suivre le canal d'eau pour former des nanostructures unidimensionnelles alignées. « Plus petit c'est mieux. Moins c'est plus. Nous avons constaté que la transition entre les plis et les plis s'effectue plus facilement lorsque les facteurs suivants diminuent :niveau de compression, épaisseur de peau, volume de gouttelettes, taille de la surface de l'échantillon, et les angles de contact statiques des gouttelettes."
Sur la base de leurs découvertes, les auteurs ont déclaré que leur approche pourrait conduire à de nouvelles façons de fabriquer des matériaux fonctionnels. "Notre principale découverte est que l'on peut transformer les rides en plis localisés en exploitant simplement les forces capillaires de l'eau sur les surfaces ridées sous une très faible contrainte d'environ 1% en compression, " raconte Nagashima Phys.org . "Des études récentes rapportées dans la littérature ont démontré que de telles transitions de pli à pli peuvent aider à développer des systèmes qui modifient dynamiquement leurs propriétés en fonction de la morphologie de la surface. Cependant, induire la transition en l'absence d'eau est difficilement réalisable en pratique car, en général, une compression importante doit être appliquée au système peau-substrat, ce qui empêche des applications plus larges. Notre étude révèle que même 1% de compression, qui est le niveau critique pour créer des rides dans notre cas, est suffisamment grand pour déclencher la transition vers les plis localement lorsque de l'eau est présente. seul un faible niveau de compression serait nécessaire en combinaison avec de l'eau.
Figure 2. Pliage cutané induit par capillarité. ( UNE ) Image au microscope optique d'un réseau de rides et de plis autour de la limite d'une goutte d'eau placée sur une surface ridée (t =20 min, ≈ −0,03). La flèche bleue indique un filament d'eau. ( B ) Illustrations schématiques de la transition des plis aux plis de la peau due aux forces de tension superficielle de l'eau. Des images AFM représentatives et les profils de ligne sont présentés sous les illustrations. ( C ) Illustrations schématiques et images au microscope optique montrant l'évolution des plis localisés avec l'augmentation de (t =10 min). Une goutte d'eau a été déposée sur la surface avant compression; la flèche bleue et les triangles rouges indiquent la formation d'un filament d'eau et de plis localisés, respectivement. ( ré et E ) La distance pic à pic des rides (LW) et des plis (LF) et la longueur (l) et l'espacement (s) des plis en fonction de t. ( E , Encart ) Illustration schématique montrant la vue de dessus d'un réseau de plis à la limite. (F) LW et LF en fonction de |ε| (t =3 minutes). ( F , Encart ) Profils de ligne des plis pour |ε| 0,02, 0,08, et 0,17. (Barres d'échelle : UNE , 10 pm; B , 5 µm; et C , 50 µm). Crédits :Nagashimaa S, Haa HD, Kima DH, Košmrljb A, Pierre HA, Moon M-W (2017) Formation spontanée de nanofils d'ADN alignés par repliement cutané induit par capillarité. Proc Natl Acad Sci États-Unis 114:24 6233-6237.
"Ce phénomène peut être considéré comme une méthode sans lithographie qui permet de fabriquer facilement des matrices de nanomatériaux, où leur taille, longueur, et la périodicité pourraient être réglées de manière robuste, " poursuit-il. " De plus, non seulement de l'eau mais d'autres liquides pourraient être utilisés pour transporter des nanomatériaux et pour induire la transition des plis aux plis."
Moon décrit plusieurs exemples de potentiel de novo techniques de fabrication et d'analyse, y compris la lithographie à l'échelle nanométrique, nanoempreinte, croissance par dépôt chimique en phase vapeur, et réaction chimique. « Notre méthode peut potentiellement être utilisée pour la fabrication de nanofils ou de nanoréseaux à une dimension pour une application à l'analyse d'ADN avec des quantités d'ADN très diluées ou faibles ; des matrices d'ADN en tant que nouvelles nanostructures métalliques ou céramiques ; et des dispositifs de traitement d'ADN pour la guérison de l'ADN modifié. une addition, on peut adopter cette technique pour manipuler les protéines, du sang, ou des nanoparticules à l'échelle nanométrique."
Košmrlj et Stone racontent Phys.org qu'un domaine de recherche prévu est axé sur l'analyse et la modélisation non linéaires pour une meilleure compréhension quantitative de la transition des rides aux plis induite par la capillarité. "Étant donné que notre système est composé du comportement mécanique de la transition de pli déclenchée par la tension superficielle du liquide, la transition de pli à pli que nous avons trouvée est associée à de grandes déformations où la théorie conventionnelle de l'élasticité linéaire ne s'applique pas. Alors que les mécanismes de base peuvent être expliqués dans la théorie linéaire, la comparaison quantitative avec les expériences ne peut être réalisée qu'en tenant compte des non-linéarités géométriques et matérielles. Nous effectuons donc des simulations numériques en couplant tension superficielle liquide et déformation solide, ainsi que d'effectuer des analyses avec des séries de perturbations, où les non-linéarités des structures élastiques peuvent être étudiées systématiquement."
"Je pense également que les défis à venir sont de trouver comment atteindre de plus grandes zones pour la formation de modèles d'ADN, " dit Moon. " En fait, nos derniers résultats, obtenus après l'acceptation de cet article du PNAS, montrent des progrès impressionnants pour la région avec une transition des plis aux plis dans des zones plus vastes, comme toute la zone sous une goutte d'eau. Un autre domaine à étudier, La lune continue, concerne le fait que la morphogenèse biologique des systèmes peau-substrat est omniprésente dans les organismes où l'eau est un constituant majeur. "Nous essayons de trouver des situations où nos résultats sont applicables. Des collaborations actives avec des experts dans le domaine seraient utiles."
Les chercheurs pourraient également étudier des matériaux autres que le PDMS. "Oui. D'autres polymères peuvent fonctionner s'ils possèdent les facteurs de base pour régir la transition de pli, ceux-ci étant la minceur de la nano-peau et des matériaux corporels souples, et hydrophilie de surface pour assurer une réaction de surface suffisante avec le liquide, " note Lune.
Figure 3. Nanofils d'ADN accordables. ( UNE ) Images au microscope optique à fond clair et à fond noir de nanofils d'ADN créés par la transition rides à plis induite par la capillarité. Après évaporation de la goutte, la déformation a été ajustée pour voir la structure à l'intérieur des plis. ( B ) Images au microscope confocal d'un réseau de nanofils d'ADN s'étendant de la limite aux emplacements indiqués par les triangles jaunes. ( C ) Images AFM de nanofils d'ADN obtenus à l'aide de rides préparées avec différents (t =10 min). Une fois les plis formés, la souche a été ajustée à ≈ 0,00. Les profils de ligne des nanofils indiqués par les lignes pointillées vertes sont montrés dans les images. ( ré ) Hauteur des nanofils en fonction de t (ε ≈ -0,03). ( E ) Modifications de la forme d'un nanofil d'ADN de droit à ridé avec une augmentation de la contrainte de traction. ( F ) La longueur d'onde (symboles noirs) et l'amplitude (symboles oranges) des nanofils d'ADN ridés en fonction de la contrainte de traction appliquée. ( g et H ) Les profils de ligne du nanofil d'ADN et de la surface de la peau avant et après l'application de la contrainte de traction (c'est-à-dire, ≈ -0,02 et 0,05, respectivement). La couleur des profils correspond à celle des lignes pointillées indiquées dans les images AFM présentées dans E . (Barres d'échelle : UNE et B , 10 pm; C , 2 pm; et E , 1 µm). Crédits :Nagashimaa S, Haa HD, Kima DH, Košmrljb A, Pierre HA, Moon M-W (2017) Formation spontanée de nanofils d'ADN alignés par repliement cutané induit par capillarité. Proc Natl Acad Sci États-Unis 114:24 6233-6237.
Les autres intérêts de recherche futurs possibles et les innovations supplémentaires mentionnées par les auteurs comprennent :
- analyse théorique pour élucider la physique sous-jacente liée au plissement de surface induit par l'eau
- exploiter la physique sous-jacente pour développer une méthode de fabrication robuste et de masse pour induire la transition des plis aux plis
- trouver et discuter des changements morphologiques dans la nature où l'eau est probablement un facteur clé
- appliquer les résultats de l'étude actuelle à l'analyse de l'ADN ou aux dispositifs de drogue à ADN
- capteurs 2-D/3-D, outils de diagnostic, et les systèmes de libération de médicaments
- gabarits pour la fabrication de nanomatériaux à une dimension
- méthodes de structuration locale
"Je pense que ce travail est bénéfique à la science des matériaux pour les gabarits de nanofils, mécanique des canaux fluidiques, et la biologie pour l'analyse quantitative de l'ADN ou d'autres biomolécules, " conclut Moon.
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