Les propriétés d'appariement des bases de l'ADN ont été utilisées pour construire de minuscules structures qui accumulaient un squelette externe en silice similaire aux organismes constructeurs de coquilles appelés diatomées. Crédit :Yan Lab.
Les diatomées sont minuscules, créatures unicellulaires, habitant les océans, des lacs, rivières, et les sols. Par leur respiration, ils produisent près du quart de l'oxygène sur terre, presque autant que les forêts tropicales du monde. En plus de leur succès écologique à travers la planète, ils ont un certain nombre de propriétés remarquables. Les diatomées vivent dans des maisons en verre de leur propre conception, visible sous grossissement dans une gamme de formes étonnante et esthétiquement belle.
Les chercheurs se sont inspirés de ces microscopiques, bijoux de la nature depuis leur découverte à la fin du XVIIIe siècle. Dans une nouvelle étude, Les scientifiques de l'Arizona State University (ASU) dirigés par le professeur Hao Yan, en collaboration avec des chercheurs de l'Institut de physique appliquée de Shanghai de l'Académie chinoise des sciences et de l'Université Jiaotong de Shanghai dirigés par le professeur Chunhai Fan, ont conçu une gamme de nanostructures de type diatomée.
Pour y parvenir, ils empruntent des techniques utilisées par les diatomées naturelles pour déposer des couches de silice - le principal constituant du verre - afin de faire croître leurs coquilles complexes. En utilisant une technique connue sous le nom d'origami ADN, le groupe a conçu des plateformes nanométriques de formes variées auxquelles des particules de silice, tiré par la charge électrique, pourrait coller.
La nouvelle recherche démontre que le dépôt de silice peut être appliqué efficacement aux produits synthétiques, architectures basées sur l'ADN, améliorant leur élasticité et leur durabilité. Le travail pourrait finalement avoir des applications de grande envergure dans de nouveaux systèmes optiques, nanolithographie de semi-conducteur, nano-électronique, nano-robotique et applications médicales, y compris l'administration de médicaments.
Yan est le professeur distingué Milton D. Glick de chimie et de biochimie et dirige le Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics. Les découvertes du groupe sont rapportées dans l'avancée en ligne de la revue La nature .
Des chercheurs comme Yan et Fan créent des nanoarchitectures sophistiquées en 2 et 3 dimensions, en utilisant l'ADN comme matériau de construction. La méthode, connu sous le nom d'origami ADN, repose sur les propriétés d'appariement des bases des quatre nucléotides de l'ADN, dont les noms sont abrégés A, T, C et G.
La structure en forme d'échelle de la double hélice d'ADN se forme lorsque des brins complémentaires de nucléotides se lient les uns aux autres - les nucléotides C s'appariant toujours avec Gs et les As s'appariant toujours avec Ts. Ce comportement prévisible peut être exploité afin de produire une variété pratiquement illimitée de formes conçues, qui peut être conçu à l'avance. Les nanostructures s'auto-assemblent ensuite dans un tube à essai.
Une sélection de nanostructures construites à partir d'origami ADN, aux côtés des diatomées naturelles - des organismes unicellulaires qui se présentent sous de nombreuses formes belles et élaborées. Ce sont des habitants omniprésents des lacs du monde, rivières, et les océans. Une échelle indique les tailles des nanostructures et des diatomées. Crédit :Shireen Dooling
Dans la nouvelle étude, les chercheurs voulaient voir si des architectures conçues avec de l'ADN, chacun mesurant à peine des milliardièmes de mètre de diamètre, pourraient être utilisés comme cadres structurels sur lesquels des exosquelettes de type diatomée composés de silice pourraient se développer de manière précise et contrôlable. Leurs résultats positifs montrent la puissance de ce mariage hybride de la nature et de la nano-ingénierie, que les auteurs appellent DNA Origami Silicification (DOS).
"Ici, nous avons démontré que la bonne chimie peut être développée pour produire des matériaux hybrides ADN-silice qui reproduisent fidèlement les informations géométriques complexes d'un large éventail de différents échafaudages d'origami ADN. Nos résultats ont établi une méthode générale pour créer des nanostructures de silice biomimétiques, " dit Yan.
Parmi les cadres d'ADN géométriques conçus et construits dans les expériences figuraient des croisements 2D, carrés, des triangles et des nids d'abeilles DOS-diatomées ainsi que des cubes 3D, tétraèdres, hémisphères, formes toroïdales et ellipsoïdes, se présentant sous forme d'unités simples ou de réseaux.
Une fois les cadres d'ADN terminés, des amas de particules de silice portant une charge positive ont été attirés électrostatiquement sur les surfaces des formes d'ADN électriquement négatives, s'accumulant sur une période de plusieurs jours, comme une fine peinture appliquée sur une coquille d'œuf. Une série de micrographies électroniques à transmission et à balayage ont été réalisées à partir des formes DOS résultantes, révélant une silicification de type diatomée précise et efficace.
La méthode s'est avérée efficace pour la silicification de framelike, nanostructures courbes et poreuses dont la taille varie de 10 à 1000 nanomètres, (les plus grandes structures ont à peu près la taille d'une bactérie). Un contrôle précis de l'épaisseur de la coque de silice est obtenu simplement en régulant la durée de croissance.
Les nanostructures hybrides DOS-diatomées ont été initialement caractérisées à l'aide d'une paire d'outils puissants capables de dévoiler leurs formes minuscules, Microscopie électronique à transmission (MET) et microscopie à force atomique (AFM). Les images résultantes révèlent des contours beaucoup plus clairs pour les nanostructures après le dépôt de silice.
La méthode de nanofabrication est si précise, les chercheurs ont pu produire des triangles, carrés et hexagones avec des pores uniformes mesurant moins de 10 nm de diamètre, de loin les plus petits réalisés à ce jour, utilisant la lithographie d'origami d'ADN. Plus loin, la technique décrite dans la nouvelle étude offre aux chercheurs un contrôle plus précis sur la construction de nanostructures 3D sous des formes arbitraires qui sont souvent difficiles à produire avec les méthodes existantes.
Cube 3D réalisé en utilisant l'ADN Origami Silicification (DOS), qui dépose une fine couche de silice sur la charpente de l'origami ADN. Crédit :Yan Lab
Une propriété des diatomées naturelles de grand intérêt pour les nano-ingénieurs comme Yan et Fan est la résistance spécifique de leurs coquilles de silice. La résistance spécifique fait référence à la résistance d'un matériau à la rupture par rapport à sa densité. Scientists have found that the silica architectures of diatoms are not only inspiringly elegant but exceptionally tough. En effet, the silica exoskeletons enveloping diatoms have the highest specific strength of any biologically produced material, including bone, antlers, and teeth.
Dans l'étude actuelle, researchers used AFM to measure the resistance to breakage of their silica-augmented DNA nanostructures. Like their natural counterparts, these forms showed far greater strength and resilience, displaying a 10-fold increase in the forces they could withstand, compared with the unsilicated designs, while nevertheless retaining considerable flexibility.
The study also shows that the enhanced rigidity of DOS nanostructures increases with their growth time. As the authors note, these results are in agreement with the characteristic mechanical properties of biominerals produced by nature, coupling impressive durability with flexibility.
A final experiment involved the design of a new 3-D tetrahedral nanostructure using gold nanorods as supportive struts for a DOS fabricated device. This novel structure was able to faithfully retain its shape compared with a similar structure lacking silication that deformed and collapsed.
The research opens a pathway for nature-inspired innovations in nanotechnology in which DNA architectures act as templates that may be coated with silica or perhaps other inorganic materials, including calcium phosphate, carbonate de calcium, ferric oxide or other metal oxides, yielding unique properties.
"We are interested in developing methods to create higher order hybrid nanostructures. For example, multi-layered/multi-component hybrid materials may be achieved by a stepwise deposition of different materials to further expand the biomimetic diversity, " said Fan.
Such capabilities will open up new opportunities to engineer highly programmable solid-state nanopores with hierarchical features, new porous materials with designed structural periodicity, cavity and functionality, plasmonic and meta-materials. The bio-inspired and biomimetic approach demonstrated in this paper represents a general framework for use with inorganic device nanofabrication that has arbitrary 3-D shapes and functions and offers diverse potential applications in fields such as nano-electronics, nano-photonics, and nano-robotics.
