Монохромное изображение — шириной всего в десять центов в поперечнике — было экспериментальным проектом, который впервые продемонстрировал, как точное размещение ДНК-оригами может быть использовано для создания устройств на основе микросхем, таких как компьютерные схемы в меньшие масштабы, чем когда-либо прежде.ДНК-оригами, разработанная 10 лет назад Полом Ротемундом из Калифорнийского технологического института (BS ’94), представляет собой метод, который позволяет исследователям складывать длинную цепь ДНК в любую желаемую форму. Затем свернутая ДНК действует как каркас, на котором исследователи могут прикреплять и организовывать все виды компонентов нанометрового масштаба, от флуоресцентных молекул до электропроводящих углеродных нанотрубок и лекарств.
«Думайте об этом как о перфорированных досках, которые люди используют для организации инструментов в своих гаражах, только в этом случае перфорированные доски собираются из нитей ДНК, и инструменты также находят свои собственные позиции», — говорит Ротемунд, профессор исследований в области биоинженерии, вычислений и математические науки, вычислительные и нейронные системы. «Все это происходит в пробирке без вмешательства человека, что важно, потому что все части слишком малы, чтобы ими можно было эффективно манипулировать, а мы хотим сделать миллиарды устройств».Этот процесс может повлиять на множество приложений, от доставки лекарств до создания наноразмерных компьютеров. Но для многих приложений организации наноразмерных компонентов для создания устройств на плитах ДНК недостаточно; устройства должны быть соединены вместе в более крупные цепи и должны иметь способ связи с более крупными устройствами.Один из первых подходов заключался в том, чтобы сначала сделать электроды, а затем разбросать устройства в случайном порядке по поверхности с ожиданием, что хотя бы несколько из них приземлятся там, где нужно, метод, который Ротемунд описывает как «распыляй и молись».
В 2009 году Ротемунд и его коллеги из IBM Research впервые описали технику, с помощью которой ДНК-оригами можно размещать в точных местах на поверхности с помощью электронно-лучевой литографии для травления липких участков связывания, имеющих ту же форму, что и оригами. Например, треугольные липкие участки связывают треугольно сложенную ДНК.
За последние семь лет Ротемунд и Эшвин Гопинатх, старший научный сотрудник по биоинженерии в Калифорнийском технологическом институте, усовершенствовали и расширили эту технику, так что формы ДНК могут быть точно расположены практически на любой поверхности, используемой при производстве компьютерных микросхем. В статье Nature они сообщают о первом применении этой техники — использовании ДНК-оригами для установки флуоресцентных молекул в микроскопические источники света.«Это похоже на использование ДНК-оригами для ввинчивания молекулярных лампочек в микроскопические лампы», — говорит Ротемунд.В данном случае лампы представляют собой микроструктуры, называемые фотонно-кристаллическими полостями (ФКК), которые настроены на резонанс на определенной длине волны света, подобно тому, как камертон вибрирует с определенным шагом.
Созданный внутри тонкой стеклянной мембраны, PCC принимает форму бактериального дефекта внутри идеальной соты отверстий.«В зависимости от точного размера и расстояния между отверстиями свет определенной длины волны отражается от края полости и попадает внутрь», — говорит Гопинатх, ведущий автор исследования.
Он построил PCC, которые настроены на резонанс на уровне около 660 нанометров, длина волны соответствует глубокому оттенку красного цвета. Флуоресцентные молекулы, настроенные так, чтобы светиться на той же длине волны, освещают лампы — при условии, что они придерживаются точно нужного места в PCC.
«Флуоресцентная молекула, настроенная на тот же цвет, что и PCC, на самом деле светится ярче внутри полости, но сила этого эффекта связи сильно зависит от положения молекулы в полости. Разница между ярко светящейся молекулой составляет несколько десятков нанометров. , или нет, — говорит Гопинатх.
Перемещая ДНК-оригами через PCC с шагом 20 нанометров, исследователи обнаружили, что они могут нанести на карту шахматный узор из горячих и холодных точек, где молекулярные лампочки светятся либо слабо, либо сильно.
В результате они смогли использовать ДНК-оригами для позиционирования флуоресцентных молекул для изготовления ламп различной интенсивности. Подобные структуры были предложены для питания квантовых компьютеров и для использования в других оптических приложениях, где требуется множество крошечных источников света, интегрированных вместе на одном кристалле.«Все предыдущие работы по соединению излучателей света с PCC позволили создать лишь несколько рабочих ламп из-за чрезвычайной сложности воспроизводимого контроля количества и положения излучателей в резонаторе», — говорит Гопинатх. Чтобы доказать свою новую технологию, исследователи решили расширить масштабы и предоставить визуально убедительную демонстрацию.
Создавая PCC с разным количеством сайтов связывания, Гопинатх смог надежно установить любое количество от нуля до семи ДНК-оригами, что позволило ему в цифровом виде управлять яркостью каждой лампы. Он рассматривал каждую лампу как пиксель с одной из восьми различных интенсивностей и создал массив из 65 536 пикселей PCC (сетка 256 x 256 пикселей), чтобы создать репродукцию «Звездной ночи» Ван Гога.Теперь, когда команда может надежно комбинировать молекулы с PCC, они работают над улучшением излучателей света.
В настоящее время флуоресцентные молекулы существуют около 45 секунд, прежде чем вступить в реакцию с кислородом и «выгореть», и они излучают несколько оттенков красного, а не один чистый цвет. Решение обеих этих проблем поможет с такими приложениями, как квантовые компьютеры.
«Помимо приложений, предстоит еще много работы по фундаментальной науке», — говорит Гопинатх.