Van Goghs „Sternennacht“ aus DNA-Origami ist Realität geworden

Eine merkwürdige Möglichkeit, die Fähigkeiten der DNA auf der Ebene einer neuen vielversprechenden Technologie zu nutzen, wurde von Forschern des California Institute of Technology vorgeschlagen, die mit ihrer Hilfe eine Reproduktion des berühmten Gemäldes " Sternennacht " von Vincent Van Gogh schufen . Was Sie unten auf einem monochromatischen Bild von der Größe einer Zehn-Cent-Münze sehen, ist das Ergebnis der Faltung von DNA-Molekülen, begleitet von einer Neuorientierung der Lichtmoleküle an genau definierten Stellen - den "Zellen" mikroskopischer optischer Resonatoren. Die vorgeschlagene Technologie zur Steuerung des Prozesses der DNA-Faltung wird nach Ansicht der Autoren auf lange Sicht die Schaffung voll funktionsfähiger nanoskaliger Biocomputer ermöglichen.



Die DNA-Origami-Technologie, mit der ein langes DNA-Molekül jede vorgegebene Form und Eigenschaften kommunizieren kann, wurde vor etwa 10 Jahren von Paul Rothemund vom California Institute of Technology entwickelt. Dann gelang es dem Wissenschaftler, aus dem Ring-DNA-Molekül des Bakteriophagen M13 mehrere elementare geometrische Formen zu erzeugen - Dreiecke, Sterne, Rechtecke und Lächeln.

Lassen Sie uns kurz daran erinnern, dass die DNA-Origami-Technik auf dem Prinzip der Komplementarität basiert, das die Struktur doppelsträngiger DNA beschreibt. Solche Biomoleküle sind lange Stränge, auf denen sich vier Arten von "Kügelchen" befinden, stickstoffhaltige Basen - Guanin, Adenin, Cytosin und Thymin. In der Doppelhelix kann gegenüber von Adenin nur Thymin lokalisiert werden und gegenüber Guanin nur Cytosin usw.

Mit Informationen über die Position der Basen in einem einzelsträngigen DNA-Molekül ist es möglich, Sätze von kurzen "Clips" dafür auszuwählen, wodurch die Kette gezwungen wird, sich kompakt in die gewünschte Form zu falten, beispielsweise zu einer flachen Schicht. Wie von Paul Rotmund festgestellt, dauert die Entwicklung und Synthese solcher „Clips“ etwa zwei Wochen, und der Prozess der Herstellung von Origami dauert etwa mehrere Stunden, nachdem die Komponenten in einer Lösung gemischt wurden.

DNA, die gemäß dem gewünschten „Szenario“ gebildet wurde, kann als Plattform dienen, in die alle Arten von Komponenten im Nanometerbereich integriert werden können, von fluoreszierenden Substanzmolekülen und Kohlenstoffnanoröhren bis hin zu Minikapseln mit Arzneimitteln und Elementen mikroskopischer Biocomputer. Gleichzeitig reicht das Vorhandensein einer einzigen auf DNA basierenden Base nicht aus, um die gesetzten Ziele zu erreichen und vielversprechende funktionsfähige Nanogeräte zu schaffen.

Im Jahr 2009 haben Paul Rothmund und ein Team von Spezialisten von IBM Research mithilfe der Elektronenstrahllithographie die Technologie der hochpräzisen Platzierung von DNA-Molekülen in einer bestimmten Reihenfolge beschrieben und später implementiert. In den folgenden Jahren hat Rotmund mit Kollegen vom California Institute of Technology unter der Leitung von Ashwin Gopinath, Professoren der Abteilung für Bioingenieurwesen am California Institute of Technology, die Entwicklung perfektioniert und konnte so einen Weg vorschlagen, DNA-Moleküle auf Oberflächen nahezu jeder komplexen Form genau zu lokalisieren. einschließlich der Oberfläche eines Halbleiterchips. Ein Beispiel dafür, welcher Effekt mit der vorgeschlagenen Technologie erzielt werden kann, ist die von Wissenschaftlern erstellte Miniaturreproduktion der Sternennacht von Van Gogh.Rothmund und seine Kollegen verwendeten die Origami-DNA-Technik, um Phosphormoleküle spezifisch an die Oberfläche eines zweidimensionalen photonischen Kristalls zu binden. Der Kristall selbst ist eine geordnete Struktur, die einer Wabe ähnelt. Bei seiner Herstellung verwendeten die Wissenschaftler die Methode des Ätzens der Oberfläche mit einem Elektronenstrahl.

„Was wir geschaffen haben, kann einfach mit dem Einschrauben von molekularen„ Glühbirnen “in mikroskopische Kartuschen mit DNA-Origami verglichen werden“, erklärt Paul Rotmund. „In diesem Fall konnten wir die relative Position der Moleküle und den Abstand zwischen ihnen und den Lichtquellen anpassen in der Lage zu sein, die Helligkeit jeder solchen "Glühbirne" innerhalb der erforderlichen Grenzen zu ändern. Die von uns erstellte Reproduktion ist nichts anderes als eine Matrix von 65.536 Pixeln mit einer Größe von 256 x 256 mit unterschiedlicher Helligkeit. “ Durch Bewegen des DNA-Origamis in einer Matrix mit einem Schritt von 20 nm konnten die Forscher ein Muster erhalten, das den Zellen eines Schachbretts ähnelte, wobei Abschnitte unterschiedlicher Intensität des Glühens molekularer "Zwiebeln" an den "kalten" und "heißen" Stellen auftraten.


<sub>- ( ). : ( ), . — , . Ashwin Gopinath et al. / Nature, 2016


«». Ashwin Gopinath et al. / Nature, 2016</sub>

„Bei allen früheren Arbeiten zur Herstellung von nanoskaligen Lichtemittern konnten aufgrund der extrem komplexen Wiedergabe der Gerätesteuerungsschaltung, die weitgehend von der Anzahl und Position der Emitter im Hohlraum abhängt, nur wenige funktionierende„ Lampen “platziert werden“, sagt Gopinath. Mit der neuen Technologie können Sie zwischen null und sieben Origami-DNA einstellen, wodurch die Helligkeit jeder Lampe ohne Einschränkungen digital gesteuert werden kann.


_{Die Position der Origami-Adapter in den Hohlräumen. Testexperimente zur Farbwiedergabe und Sternennacht. Ashwin Gopinath et al. / Natur, 2016}

Das Problem ist, erklärte der Wissenschaftler, dass die fluoreszierenden Moleküle nach ihrer Umverteilung auf dem Substrat etwa 45 Sekunden "leben". Danach reagieren sie mit Sauerstoff und brennen aus. Dabei beginnen sie, Licht in mehreren Rottönen zu emittieren, jedoch nicht in einer reinen Farbe. Die erzielten Ergebnisse inspirierten die Forscher, nach einer Lösung für dieses Problem zu suchen, deren Beseitigung ihrer Meinung nach die Implementierung der neuesten vielversprechenden Technologien bis hin zu den in nanoskaligen Quantencomputersystemen verwendeten Technologien ermöglicht.

_Quelle
Natur

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