Το DNA κάνει τα άψυχα υλικά να αλλάζουν σχήμα
Οι ερευνητές έχουν κατασκευάσει μικροσκοπικά σωματίδια χρυσού που μπορούν να συναρμολογηθούν σε μια ποικιλία κρυσταλλικών δομών απλά προσθέτοντας λίγο DNA στο διάλυμα που τα περιβάλλει. Στην πορεία, τέτοια επαναπρογραμματιζόμενα σωματίδια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή υλικών που επαναδιαμορφώνονται ως απόκριση στο φως ή για τη δημιουργία νέων καταλυτών που αναδιαμορφώνονται καθώς προχωρούν οι αντιδράσεις.
«Αυτό το έγγραφο είναι πολύ συναρπαστικό», λέει η Sharon Glotzer, χημικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο του Michigan, Ann Arbor, η οποία το αποκαλεί «ένα βήμα προς την πολυδύναμη ύλη». Ο Ντέιβιντ Τζίντζερ, χημικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, στο Σιάτλ, συμφωνεί:«Αυτή είναι μια απόδειξη της ιδέας για κάτι που ήταν ένα όνειρο για νανοσωματίδια». Ούτε ο Glotzer ούτε η Ginger έχουν δεσμούς με την τρέχουσα έρευνα.
Το όνειρο ξεκίνησε πριν από δεκαετίες, όταν οι χημικοί ανακάλυψαν για πρώτη φορά τρόπους για να συνθέσουν νανοσωματίδια, συστάδες ατόμων μεγέθους κάτω των 100 νανόμετρων. Οι ερευνητές άρχισαν γρήγορα να αναζητούν τρόπους για να ελέγχουν τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα σωματίδια συναρμολογούνται προκειμένου να δημιουργηθούν νέα υλικά από κάτω προς τα πάνω.
Σήμερα, λίγα υλικά κατασκευάζονται από την αρχή. Μια εξαίρεση είναι τα υλικά λέιζερ, τα οποία χρησιμοποιούνται σε οτιδήποτε, από τον εξοπλισμό τηλεπικοινωνιών έως τους σαρωτές γραμμωτού κώδικα. Αλλά τα υλικά, που σχηματίζονται με την προσθήκη ατόμων σε ένα επιφανειακό στρώμα προς στρώμα, είναι πολύ ακριβά στην κατασκευή και πολύ περιορισμένα σε μέγεθος. Η συναρμολόγηση νανοσωματιδίων θα μπορούσε να προσφέρει έναν νέο τρόπο για να αναπτυχθούν μεγαλύτερα —και πιο ποικίλα— υλικά φθηνά. Αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις, η κατάκτηση του επιπέδου ελέγχου που απαιτείται για να γίνει αυτό έχει αποδειχτεί άπιαστη.
Μια προσέγγιση που λειτούργησε καλά πρωτοστάτησε από τον χημικό Chad Mirkin και τους συνεργάτες του στο Northwestern University, Evanston, στο Ιλινόις. Η ομάδα του Mirkin διακόσμησε την εξωτερική επιφάνεια των νανοσωματιδίων χρυσού με αποσπάσματα μονόκλωνου DNA και στη συνέχεια χρησιμοποίησε αυτούς τους κλώνους όπως το Velcro για να συνδέσει μεταξύ τους γειτονικά σωματίδια. Καθώς τα ξεχωριστά σωματίδια πλησίαζαν το ένα το άλλο, οι κλώνοι πλέκονταν στην πιο κοινή μορφή δίκλωνου DNA, κρατώντας τα σωματίδια μαζί. Με τα χρόνια, η ομάδα του Mirkin έδειξε ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει αυτή τη διάταξη ως μέσο για να συναρμολογήσει σωματίδια επικαλυμμένα με διαφορετικές αλληλουχίες για να συναρμολογηθούν σε διαφορετικούς τύπους κρυστάλλων, δημιουργώντας ισχυρούς αισθητήρες για την ανίχνευση συγκεκριμένων κλώνων DNA και πρωτεϊνών στη διαδικασία. Όμως, παρά την επιτυχία αυτής της προσέγγισης, κάθε φορά που η ομάδα ήθελε να κατασκευάσει ένα υλικό με νέο κρυσταλλικό προσανατολισμό, έπρεπε να ανασχεδιάσει τους συνδέτες DNA του.
Οχι πια. Για την τρέχουσα εργασία τους, ο Mirkin και οι συνεργάτες του ξεκίνησαν να δημιουργήσουν μεταβλητά νανοσωματίδια που, μόλις σχηματιστούν, θα μπορούσαν να συναρμολογηθούν σε οποιοδήποτε από μια μεγάλη ποικιλία δομικών στοιχείων που θα μπορούσαν στη συνέχεια να σχηματίσουν κρυσταλλικά υλικά. Για να το κάνουν, εξακολουθούσαν να βασίζονται στην επικάλυψη νανοσωματιδίων χρυσού με DNA. Αλλά αντί να συνδέουν μονόκλωνο DNA στα σωματίδια τους, συνέδεσαν "φουρκέτες", μονές έλικες DNA στις οποίες το άκρο που προεξέχει από το νανοσωματίδιο γυρίζει πίσω και συνδέεται με ένα τμήμα του DNA πιο κοντά στο σωματίδιο.
Σε αυτή την «κλειστή» κατάσταση, το DNA της φουρκέτας δεν μπορεί να συνδεθεί με το DNA άλλων νανοσωματιδίων. Αλλά οι ερευνητές πρόσθεσαν ένα άλλο σύνολο κοντών κλώνων DNA στο διάλυμά τους που είχαν προγραμματιστεί να συνδέονται με το τμήμα των φουρκέτες που είχαν κολλήσει στα νανοσωματίδια. Αυτό απελευθέρωσε το άκρο της φουρκέτας, δημιουργώντας ένα «κολλώδες άκρο» που ήταν πλέον ελεύθερο να συνδεθεί με ένα συμπληρωματικό σκέλος σε ένα άλλο νανοσωματίδιο. Η αλληλουχία αυτών των κολλωδών άκρων θα μπορούσε να προγραμματιστεί ώστε να προκαλεί τη δέσμευσή τους είτε σε σωματίδια παρόμοιου μεγέθους είτε σε μεγαλύτερα.
Η ομάδα έδειξε επίσης ότι μπορούσε να συνδυάσει πολλούς τύπους φουρκέτες DNA. Αυτά θα μπορούσαν να απελευθερωθούν χωριστά, σε μεμονωμένα νανοσωματίδια, επιτρέποντας έτσι στους ερευνητές να επιλέξουν με ποιους ακριβώς εταίρους θα συναρμολογηθεί ένα νανοσωματίδιο καθώς μεγαλώνει ένας κρύσταλλος.
Οι ερευνητές πρόσθεσαν επίσης περισσότερο έλεγχο σχετικά με το τι σχηματίστηκαν οι κρύσταλλοι αλλάζοντας το μήκος των φουρκέτες του DNA, τη συγκέντρωση στην οποία συναρμολογήθηκαν γύρω από τα σωματίδια και τη συγκέντρωση διαφορετικών τύπων σωματιδίων. Αναφέρουν στο σημερινό τεύχος του Science ότι χρησιμοποίησαν αυτά τα διαφορετικά πόμολα για να δημιουργήσουν 10 διαφορετικούς κρυστάλλους. Αλλά σύμφωνα με τον Mirkin, η ομάδα του έχει ήδη την ικανότητα να προκαλέσει τη συναρμολόγηση σωματιδίων σε περισσότερες από 500 διαφορετικές κρυσταλλικές μορφές. "Αυτό μας δίνει τη δυνατότητα να φτιάχνουμε υλικά βάσει σχεδίου", λέει.
Αυτή η ικανότητα θα πρέπει να αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιμη στο σχεδιασμό νέων οπτικών υλικών, τα οποία εξαρτώνται από τον αυστηρό έλεγχο της απόστασης των νανοσωματιδίων σε έναν κρύσταλλο για να προσδιοριστεί ποια χρώματα φωτός μεταδίδουν, αντανακλούν, ακόμη και εκπέμπουν. Η νέα διαδικασία επιτρέπει τέτοιο έλεγχο, λέει ο Mirkin. Και όπως και στους ζωντανούς οργανισμούς, δείχνει ότι λίγο DNA μπορεί να κάνει μεγάλη διαφορά.
