Новая техника дизайна продвигает нанотехнологии

Схема конструктивного трубопровода для самосборных конструкций: снимок из моделирования строительных блоков ДНК, собирающихся в целевую кристаллическую решетку, показан экспериментально реализованный справа (масштабная полоса: 1000 нанометров = 1 микрометр = 1/1 000 000 метров).Кредит: Petr Sulc Lab

Многие биологические структуры впечатляющей красоты и изощренности возникают благодаря процессам самосборки.Действительно, мир природы изобилует сложными и полезными формами, которые объединяются из многих составляющих, используя встроенные особенности молекул.

Ученые надеются лучше понять, как разворачивается этот процесс и как можно использовать такую снизу вверх для продвижения технологий в области компьютерных наук, материаловедения, медицинской диагностики и других областей.

В новом исследовании доцент университета штата Аризона Петл и его коллеги пошли на шаг ближе к воспроизведению процессов самосборки природы.Их исследование описывает синтетическую конструкцию крошечного, самосетационного кристалла, известного как «пирохлор», который обладает уникальными оптическими свойствами.

Ключом к созданию кристалла является разработка нового метода моделирования, который может предсказать и направлять процесс самосборки, избегать нежелательных структур и обеспечение того, чтобы молекулы объединялись в правильном расположении.

Аванс обеспечивает Steppingstone для возможного построения сложных, самооборных устройств на наноразмерном виде-размер одного вируса.

Новые методы были использованы для разработки нанокристалла пирохлора, особого типа решетки, который мог бы в конечном итоге функционировать как оптический метаматериал, «особый тип материала, который передает только определенные длины волны света», - говорит Сулк.«Такие материалы могут затем использоваться для производства так называемых оптических компьютеров и более чувствительных детекторов для ряда применений».

Сула является исследователем в Центре молекулярного дизайна и биомиметики в биодизинге, Школе молекулярных наук и Центр биологической физики в Университете штата Аризона.

Исследование появляется в текущем выпуске журнала Science.

Представьте себе, что вы помещаете разобранные часы в коробку, которую вы затем энергично встряхиваете в течение нескольких минут.Когда вы открываете коробку, вы найдете собранные, полностью функциональные часы внутри.Интуитивно мы знаем, что такое событие практически невозможно, поскольку часы, как и все другие устройства, которые мы производим, должны собираться постепенно, причем каждый компонент помещают в его конкретное место человеком или роботизированной сборкой.

Биологические системы, такие как бактерии, живые клетки или вирусы, могут построить высоко изобретательные наноструктуры и наномашины - комплексы биомолекул, такие как защитная оболочка вируса или бактерий, которые функционируют аналогичным образом с винтаром корабля, помогая бактериям двигаться вперед.

Эти и бесчисленные другие естественные формы, сравнимые по размеру с несколькими десятками нанометров-один нанометр равен на один миллионный метр или примерно та, что ваша ногтя растет за одну секунду-обращается через самосборку.Такие структуры образуются из отдельных строительных блоков (биомолекулы, таких как белки), которые перемещаются хаотично и случайным образом в клетке, постоянно сталкиваясь с водой и другими молекулами, такими как компоненты часов в коробке, которую вы энергично встряхивают.

Несмотря на очевидный хаос, Evolution нашла способ донести порядок в неуправляемый процесс.

Молекулы взаимодействуют конкретными способами, которые приводят их в правильное соединение, создавая функциональные наноструктуры внутри или на поверхности ячейки.Они включают в себя различные сложные комплексы внутри клеток, такие как механические, которые могут воспроизводить весь генетический материал.Менее сложные примеры, но, тем не менее, довольно сложные, включают самосборку жестких внешних оболочков вирусов, процесс сборочного процесса которого также изучался с его коллегой Бану Озканом из физики АГУ.

В течение нескольких десятилетий область бионанотехнологии работала над созданием крошечных конструкций в лаборатории, воспроизводив естественный процесс сборки, наблюдаемый у живых организмов.Техника, как правило, включает смешивание молекулярных компонентов в воде, постепенно охлаждение их и надеясь, что когда решение достигнет комнатной температуры, все части будут правильно сочетаться.

Одна из наиболее успешных стратегий, известных как ДНК бионанотехнология, использует искусственно синтезированную ДНК в качестве основного строительного блока.Эта молекула жизни не только способна хранить обширные троки генетической информации - стрессы ДНК также могут быть спроектированы в лаборатории, чтобы связаться друг с другом таким образом, чтобы образовалась умная трехмерная структура.

Полученные наноструктуры, известные как ДНК -оригами, имеют ряд многообещающих применений, от диагностики до терапии, где, например, они тестируются как новый метод доставки вакцины.

Специальная проблема заключается в взаимодействиях инженерных молекул, чтобы сформировать только специфические, предварительно разработанные наноструктуры.На практике неожиданные структуры часто возникают из -за непредсказуемой природы столкновений и взаимодействий частиц.Это явление, известное как кинетическая ловушка, сродни надеждам на собранные часы после того, как встряхивая коробку ее частей, только чтобы найти беспорядочную кучу.

Чтобы попытаться преодолеть кинетические ловушки и обеспечить самоотверженность надлежащей структуры от фрагментов ДНК, исследователи разработали новые статистические методы, которые могут имитировать процесс самосборки наноструктур.

Проблемы для достижения полезного моделирования таких чрезвычайно сложных процессов являются грозными.Во время фазы сборки хаотический танец молекул может длиться от нескольких минут до нескольких часов до того, как сформировалась целевая наноструктура, но самые мощные моделирования в мире могут имитировать только несколько миллисекундов.

«Поэтому мы разработали целый ряд моделей, которые могут имитировать наноструктуры ДНК с различными уровнями точности», - говорит Сулк.«Вместо моделирования отдельных атомов, как это обычно при моделировании белка, мы представляем 12 000 оснований ДНК в виде одной сложной частицы».

Этот подход позволяет исследователям точно определять проблемы с кинетическими ловушками, объединяя компьютерное моделирование с разной степенью точности.Используя их метод оптимизации, исследователи могут точно настроить метель молекулярных взаимодействий, заставляя компоненты правильно собираться в предполагаемую структуру.

Вычислительная структура, созданная в этом исследовании, будет направлять создание более сложных материалов и разработки нанодевисов со сложными функциями, с потенциальным использованием как в диагностике, так и в лечении.

Исследовательская работа была проведена в сотрудничестве с исследователями из Рима Университета Сапиенза, Калифорния Фоскари Университет Венецианского университета и Колумбийского университета в Нью -Йорке.

Больше информации: Hao Liu et al., Обратный дизайн пирохлорной решетки ДНК-оригами посредством модельных экспериментов, наука (2024).Doi: 10.1126/science.adl5549