Исследователи из Технологического института Джорджии показали, что они могут собирать наноструктуры ДНК в растворителе, не содержащем воды. Они также обнаружили, что добавление небольшого количества воды к их растворителю увеличивает скорость сборки и предоставляет новые средства управления процессом. Растворитель может также способствовать созданию более сложных структур, уменьшая проблему захвата ДНК в непредусмотренные структуры.Исследование может открыть новые возможности для применения ДНК-нанотехнологий и помочь применить ДНК-технологию для изготовления наноразмерных полупроводников и плазмонных структур.
Исследование, спонсируемое Национальным научным фондом и НАСА, будет опубликовано в качестве обложки в томе 54, выпуске 23 журнала Angewandte Chemie International Edition.«Структуры ДНК-нанотехнологий становятся все более и более сложными, и этот растворитель может помочь исследователям, работающим в этой развивающейся области», — сказал Николас Хад, профессор Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии. «С помощью этой работы мы показали, что наноструктуры ДНК могут быть собраны в безводном растворителе, и что мы можем смешивать воду с тем же растворителем, чтобы ускорить сборку. Мы также можем смешивать структуры, которые были собраны в этом растворителе. с водой — удалите воду с помощью вакуума — и пусть структуры ДНК остаются нетронутыми в безводном растворителе ».Скорость сборки наноструктур ДНК может быть очень низкой и сильно зависит от температуры.
Повышение температуры увеличивает эту скорость, но слишком высокие температуры могут вызвать разрушение структур ДНК. Система растворителей, разработанная в Технологическом институте Джорджии, добавляет новый уровень контроля над сборкой ДНК.
Структуры ДНК собираются в этом растворителе при более низких температурах, и добавление воды может регулировать вязкость растворителя, что позволяет ускорить сборку по сравнению с безводной версией растворителя.«Этот растворитель меняет правила», — сказал Исаак Галлего, научный сотрудник лаборатории Хада и первый автор статьи. «Теперь у нас есть инструмент, который контролирует кинетику сборки ДНК и термодинамику в одном растворителе. Этот растворитель также предлагает улучшенные свойства для нанотехнологий и стабильности этих наноматериалов в растворе».
Галлего работал в области нанотехнологий ДНК до прихода в Технологический институт Джорджии и был убежден, что альтернативные растворители могут продвинуть эту область. В Технологическом университете Джорджии он оценивал новые растворители для использования с наноструктурами ДНК, растворители, которые были разработаны для других целей. Один испытанный им растворитель под названием глихолин, представляющий собой смесь глицерина и хлорида холина, позволил собрать двумерную структуру ДНК-оригами за шесть дней при температуре 20 градусов Цельсия.
Глихолин не только собрал структуру ДНК при относительно низкой температуре, но и избежал «кинетических ловушек», промежуточных структур, которые являются стабильными, но не желаемой структурой, сказал Галлего. Структуры, которые не могут полностью собраться, являются основным источником низких выходов в процессе нанопроизводства ДНК.«Этот растворитель может предоставить новый инструмент для создания более сложных конструкций с ДНК, потому что вы можете избежать захвата этих сложных структур на промежуточных этапах», — добавил он. «Кинетические ловушки — одно из узких мест для создания более сложных наноструктур ДНК».
Глихолин смешивается с водой, поэтому его можно смешивать с водой в любом соотношении для контроля кинетики процесса сборки. Например, одна структура, которая собирается за шесть дней в чистом растворителе, собирается за три часа в растворе глихолина, содержащем 10 процентов воды. Ключевой особенностью новой системы растворителей является то, что она не требует внесения изменений в существующие конструкции ДНК-нанотехнологий, разработанные для воды.«Вы можете переключаться между гидратированным и негидратированным состояниями», — сказал Галлего. «Эта система растворителей сохраняет структуры ДНК, разработанные для работы в воде».
Система растворителей может улучшить совместное использование металлических наночастиц и материалов на основе ДНК. В типичных водных растворителях, в которых применяется нанотехнология ДНК, наночастицы склонны к агрегации.
Низкая летучесть растворителя также может позволить хранить собранные структуры ДНК, не беспокоясь о том, что среда на водной основе высохнет.Исследовательская группа, в которую также входила Марта Гровер из Химической школы Джорджии.
Биомолекулярная инженерия до сих пор использовала растворитель для сборки трех структур, включая две структуры ДНК-оригами. В будущей работе они надеются использовать контроль, обеспечиваемый безводными растворителями, для получения динамических структурных перестроек ДНК, которые невозможны в воде, и исследовать другие растворители, которые могут иметь дополнительные свойства, привлекательные для приложений нанотехнологий.«Мы все время были уверены, что найдем растворитель, который будет совместим с существующей нанотехнологией ДНК», — добавил Хад, который также является директором Центра химической эволюции NSF-NASA и заместителем директора Института биоинженерии Паркера Х. Пети. и Bioscience, оба в Технологическом институте Джорджии. «Что было удивительно, так это обнаружение растворителя, который позволяет собирать структуры более легко, чем в воде.
Это было совершенно неожиданно, потому что нанотехнология ДНК была разработана в воде».Исследования безводных растворителей выросли из исследований Технологического института Джорджии, посвященных происхождению жизни. Хад и его коллеги задавались вопросом, могли ли молекулы, необходимые для жизни, такие как предок ДНК, развиться в безводном растворе. Он отметил, что в некоторых случаях химия, необходимая для создания молекул жизни, была бы намного проще без присутствия воды.
«Эта работа была вдохновлена исследованием происхождения жизни с основным вопросом о том, могут ли сложные структуры ДНК существовать в неводных растворителях, и мы показали, что они могут», — сказал Хад. «И то, что мы обнаружили, работая с этими новыми растворителями, может помочь ответить на некоторые вопросы о происхождении жизни, а также найти применение в нанотехнологиях».