Инженеры разработали технику, которая позволяет им точно размещать микроскопические устройства, сформированные из свернутых молекул ДНК, не только в определенном месте, но и в определенной ориентации.
В качестве доказательства концепции они собрали более 3000 светящихся наноразмерных молекулярных устройств в форме луны в инструмент в форме цветка для индикации поляризации света. Каждый из 12 лепестков был направлен в различном направлении вокруг центра цветка, и в каждом лепестке около 250 лун были выровнены по направлению лепестка. Поскольку каждая луна светится только при попадании на нее поляризованного света, соответствующего ее ориентации, конечным результатом является цветок, лепестки которого загораются последовательно по мере вращения поляризации света, падающего на нее. Цветок, который занимает расстояние меньше ширины человеческого волоса, демонстрирует, что тысячи молекул могут быть надежно ориентированы на поверхности чипа.
Этот метод точного размещения и ориентации молекулярных устройств на основе ДНК может позволить использовать эти молекулярные устройства для питания новых видов чипов, которые объединяют молекулярные биосенсоры с оптикой и электроникой для таких приложений, как секвенирование ДНК или измерение концентраций тысяч белков в однажды.
Исследование, опубликованное в журнале Science, основано на более чем 15-летней работе Пола Ротемунда из Калифорнийского технологического института (BS '94), профессора-исследователя в области биоинженерии, вычислений и математических наук, а также вычислений и нейронных систем, а также его коллеги. В 2006 году Ротемунд показал, что ДНК можно заставить складываться в точные формы с помощью техники, получившей название ДНК-оригами. В 2009 году Ротемунд и его коллеги из IBM Research Almaden описали метод, с помощью которого ДНК-оригами можно размещать в точных местах на поверхности. Для этого они использовали процесс печати, основанный на электронных лучах, и создали "липкие" пятна того же размера и формы, что и оригами. В частности, они показали, что треугольники оригами связываются именно в месте треугольных липких пятен.
Затем Ротемунд и Ашвин Гопинатх, в прошлом старший научный сотрудник Калифорнийского технологического института, а ныне доцент Массачусетского технологического института , усовершенствовали и расширили эту технику, чтобы продемонстрировать, что молекулярные устройства, построенные из ДНК-оригами, могут быть надежно интегрированы в более крупные оптические устройства.
В 2016 году Ротемунд и Гопинат показали, что треугольные оригами, несущие флуоресцентные молекулы, можно использовать для воспроизведения 65000-пиксельной версии "Звездной ночи" Винсента Ван Гога. В этой работе треугольные ДНК-оригами использовались для размещения флуоресцентных молекул внутри оптических резонаторов размером с бактерию. Точное размещение флуоресцентных молекул имеет решающее значение, поскольку перемещение всего на 100 нанометров влево или вправо приведет к затемнению или увеличению яркости пикселя более чем в пять раз.
Но у этой техники была ахиллесова пята:
Поскольку треугольники были равносторонними и могли свободно вращаться и переворачиваться вверх ногами, они могли прилипать к треугольному липкому пятну на поверхности любым из шести различных способов. Это означало, что мы не могли использовать какие-либо устройства, для работы которых требовалась определенная ориентация. Мы застряли в устройствах, которые одинаково хорошо работали, когда они указывали вверх, вниз или в любом направлении.
Молекулярные устройства, предназначенные для секвенирования ДНК или измерения белков, абсолютно должны приземлиться правой стороной вверх, поэтому старые методы команды разрушили бы 50 процентов устройств. Для устройств, также требующих уникальной ориентации вращения, таких как транзисторы, будут работать только 16 процентов.
Итак, первая проблема, которую нужно было решить, заключалась в том, чтобы ДНК-оригами надежно приземлилась правильной стороной вверх. К удивлению исследователей, покрытие оригами ковром из гибких нитей ДНК с одной стороны позволило более 95 процентам из них приземлиться лицом вверх. Но проблема управления вращением оставалась. Правые треугольники с тремя разными длинами краев были первой попыткой исследователей создать форму, которая могла бы приземлиться в предпочтительном повороте.
Однако после борьбы за то, чтобы всего 40 процентов прямоугольных треугольников указывали в правильной ориентации, Гопинатх нанял компьютерных ученых Криса Тачука из Вашингтонского университета , соавтора научной статьи и бывшего постдока Калифорнийского технологического института, и Дэвид Киркпатрик из Университета Британской Колумбии, также являющийся соавтором журнала Science. Их задача заключалась в том, чтобы найти форму, которая могла бы застрять только в предполагаемой ориентации, независимо от того, в какой ориентации она могла бы приземлиться. Решением компьютерных ученых был диск со смещенным от центра отверстием, который исследователи назвали "маленькой луной". Математические доказательства показали, что, в отличие от прямоугольного треугольника, маленькие луны могут плавно вращаться, чтобы найти лучшее выравнивание со своим липким пятном, не застревая. Лабораторные эксперименты подтвердили, что более 98 процентов маленьких лун нашли правильную ориентацию на своих липких участках.
Затем команда добавила специальные флуоресцентные молекулы, которые плотно втыкаются в спирали ДНК маленьких лун, перпендикулярно оси спиралей. Это гарантировало, что флуоресцентные молекулы на луне были ориентированы в одном направлении и светились наиболее ярко при стимуляции светом определенной поляризации. Этот простой эффект и позволил построить чувствительный к поляризации цветок.
Благодаря надежным методам управления ориентацией вверх-вниз и вращением ДНК-оригами, широкий спектр молекулярных устройств теперь может быть дешево интегрирован в компьютерные чипы с высоким выходом для множества потенциальных приложений. Например, Ротемунд и Гопинат основали компанию Palamedrix с целью коммерциализации технологии создания полупроводниковых чипов, позволяющих одновременно изучать все белки, имеющие отношение к здоровью человека. Калтех подал заявки на патент на эту работу.