Criação de nanomateriais 3D inovadores por meio de montagem programável por DNA

Universidade de Columbia, Nova York, NY
Imagem de microscopia eletrônica de uma nanopartícula 3D montada usando ligações programáveis de DNA. (Imagem:Gangue Oleg)
Quando o Empire State Building foi construído, os seus 102 andares erguiam-se acima do centro da cidade, uma peça de cada vez, com cada elemento individual combinado para se tornar, durante 40 anos, o edifício mais alto do mundo. Uptown, em Columbia, Oleg Gang e seu laboratório de engenharia química não estão construindo arquitetura Art Déco; seus marcos são dispositivos incrivelmente pequenos construídos a partir de blocos de construção nanoscópicos que se organizam sozinhos.

“Agora podemos construir organizações 3D complexamente prescritas a partir de nanocomponentes automontados, uma espécie de versão em nanoescala do Empire State Building”, disse Gang, professor de Engenharia Química e de Física Aplicada e Ciência de Materiais na Columbia Engineering e líder do Grupo de Nanomateriais Macios e Bio-Nanomateriais do Centro de Nanomateriais Funcionais no Laboratório Nacional de Brookhaven.

“As capacidades de fabricação de materiais 3D em nanoescala por design são críticas para muitas aplicações emergentes, que vão desde a manipulação da luz até a computação neuromórfica, e de materiais catalíticos até estruturas e reatores biomoleculares”, disse Gang.

Em dois artigos, um deles publicado na Nature Materials e um segundo em ACS Nano , Gang e seus colegas descrevem uma nova metodologia para fabricar estruturas em nanoescala 3D direcionadas por meio de automontagem que pode ser usada em uma variedade de aplicações, e fornecem um algoritmo de design para outros seguirem o exemplo. E tudo se baseia nos blocos de construção biomoleculares mais básicos:o DNA.

Quando se trata de fabricação de microeletrônica em pequena escala, as abordagens convencionais baseiam-se em estratégias de cima para baixo. Uma abordagem comum é a fotolitografia, que usa luz poderosa e estênceis complexos para gravar circuitos. Mas as principais técnicas litográficas lutam com estruturas tridimensionais complexas, enquanto a fabricação aditiva, mais conhecida como impressão 3D, ainda não consegue fabricar características em nanoescala. Em termos de fluxo de trabalho, ambos os métodos fabricam cada recurso um por um, em série. Este é um processo intrinsecamente lento para a construção de objetos 3D.

Seguindo as dicas dos biossistemas, Gang constrói materiais e dispositivos 3D de baixo para cima, por meio de processos de automontagem dirigidos pelo DNA. Ele tem refinado seu método por meio de colaborações com outros cientistas para construir, por exemplo, eletrônicos extremamente pequenos de que precisam para seu trabalho.

Há dois meses, ele e seu ex-aluno, Aaron Michelson, agora cientista do Centro de Nanomateriais Funcionais do Laboratório Nacional de Brookhaven, entregaram um protótipo para colaboradores da Universidade de Minnesota interessados em criar sensores de luz 3D integrados em microchips. Eles construíram os sensores cultivando estruturas de DNA em um chip e depois revestindo-os com material sensível à luz.

Esse dispositivo foi apenas o primeiro de muitos. Em seu último artigo na Nature Materials , Gang e sua equipe estabelecem uma estratégia de design inverso para criar as estruturas 3D desejadas a partir de um conjunto de componentes e nanopartículas de DNA em nanoescala. O estudo apresenta mais quatro aplicações de sua abordagem de ‘origami de DNA’ para design de materiais:uma estrutura semelhante a um cristal composta por cordas unidimensionais e camadas bidimensionais; uma imitação dos materiais comumente encontrados em painéis solares; outro cristal que gira em um redemoinho helicoidal; e, para o colaborador Nanfang Yu, professor de Física Aplicada na Columbia Engineering, uma estrutura que refletirá a luz de maneiras específicas para seu objetivo de criar um computador óptico.

Usando técnicas avançadas de caracterização, como espalhamento de raios X baseado em síncrotron e métodos de microscopia eletrônica, nos Laboratórios Nacionais de Columbia e Brookhaven, a equipe confirmou que as estruturas resultantes correspondiam aos seus projetos e revelou as considerações projetadas para melhorar a fidelidade da estrutura. Cada uma dessas estruturas únicas foi montada em poços de água no laboratório de Gang. Este tipo de formação de material é de natureza paralela, uma vez que os componentes se unem durante o processo de montagem, o que significa economia significativa de tempo e custos para a fabricação 3D em comparação com os métodos tradicionais. O processo de fabricação também é ecologicamente correto, pois a montagem ocorre em água.

“Esta metodologia de montagem, juntamente com a automatização da robótica líquida na qual estou trabalhando agora no BNL, abre novas possibilidades para estabelecer a nanofabricação 3D para uma ampla gama de aplicações”, disse Brian Minevich, co-primeiro autor do artigo, que era Ph.D. estudante no laboratório de Gang e agora é pós-doutorado no BNL.

“Esta é uma plataforma aplicável a muitos materiais com muitas propriedades diferentes:biológicas, ópticas, elétricas, magnéticas”, disse Gang. O resultado final depende simplesmente do design.

O DNA dobra-se de forma previsível, já que os quatro ácidos nucleicos que o compõem só podem emparelhar em combinações específicas. Mas quando a estrutura desejada contém milhões, senão bilhões de peças, como chegar à sequência inicial correta? Gang e seus colegas resolvem esse desafio com uma abordagem de projeto estrutural inversa. “Se conhecermos a grande estrutura com a função que queremos criar, podemos dissecá-la em componentes menores para criar nossos blocos de construção com atributos estruturais, vinculativos e funcionais necessários para formar a estrutura desejada”, disse Gang.

Os blocos de construção são filamentos de DNA que se dobram em uma forma octaédrica mecanicamente robusta, que Gang chama de voxel, com conectores em cada canto que ligam cada voxel. Muitos voxels podem ser projetados para se vincularem a um determinado motivo 3D repetitivo usando codificação de DNA, semelhante à forma como as peças de um quebra-cabeça formam uma imagem complexa. Os motivos repetitivos, por sua vez, também são montados em paralelo para criar a estrutura alvo organizada hierarquicamente. O colaborador Sanat Kumar, professor de Engenharia Química Michael Bykhovsky e Charo Gonzalez-Bykhovsky na Columbia, forneceu uma verificação computacional da abordagem de projeto inverso de Gang.

Para permitir a estratégia de design inverso, os pesquisadores devem descobrir como projetar essas “peças de quebra-cabeça” em nanoescala baseadas em DNA com o número mínimo necessário para formar a estrutura desejada. "Você pode pensar nisso como compactar um arquivo. Queremos minimizar a quantidade de informações para que a automontagem do DNA seja mais eficiente", disse o primeiro autor Jason Kahn, cientista da equipe do BNL e anteriormente pós-doutorado no grupo de Gang. Apelidado de Mapeamento de Montagem Estruturalmente Codificada, ou MOSES, esse algoritmo é como um software CAD em nanoescala, acrescentou Gang. “Ele lhe dirá qual voxel de DNA usar para fazer uma rede 3D ordenada hierarquicamente e definida arbitrariamente.”

A partir daí, você pode adicionar diversos tipos de nano-‘carga’ dentro dos voxels de DNA que irão imbuir a estrutura final com propriedades específicas. Por exemplo, nanopartículas de ouro foram incorporadas para proporcionar propriedades ópticas únicas, como demonstrado nas experiências de Yu. Mas, como mostrado anteriormente, nanocomponentes inorgânicos e bioderivados podem ser integrados nessas estruturas de DNA.

Depois de montado o dispositivo, a equipe também o “mineralizou”. Eles revestiram os andaimes com sílica e depois os expuseram ao calor para decompor o DNA, convertendo efetivamente o andaime orgânico original em uma forma inorgânica altamente robusta.

Gang continua a colaborar com Kumar e Yu para descobrir princípios de design que permitirão a engenharia e montagem de estruturas complexas, na esperança de realizar projetos ainda mais complicados, incluindo um circuito 3D destinado a imitar a conectividade complexa do cérebro humano.

"Estamos no bom caminho para estabelecer uma plataforma ascendente de nanofabricação 3D. Vemos isso como impressão 3D de próxima geração em nanoescala, mas por enquanto o poder da automontagem baseada em DNA nos permite estabelecer uma fabricação massivamente paralela", disse Gang.

Para mais informações, entre em contato com Oleg Gang em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa ter o JavaScript habilitado para visualizá-lo.