DNA slévárny vyrábí kovové nanočástice na zakázku

Velké Ostravské hutě a Vítkovické slévárny asi zná každý. Odlévají se zde nejrůznější kovové součásti do staveb těžkého průmyslu, dopravy, elektráren a dalších odvětví. Představme si, že bychom tyto slévárny zmenšili miliardkrát. Neskutečné, že? Ano, hranice nových nanotechnologií se neustále posouvají a v dnešním článku si ukážeme jak odlévat kovy o rozměrech pouhých několika nanometrů.

Vědci v nové studii odhalili novou metodu jak vytvořit drobné 3D kovové nanočástice o přesně definovaných rozměrech a tvarech s pomocí molekul DNA. Ta je využita jako přirozená přírodní bariéra, podobně jako se využívají formy na odlévání kovů ve slévárenství. To, že se podařilo „odlít“ anorganické nanočástice z materiálů jako je zlato, stříbro do přesně definovaných 3D tvarů, je obrovský technologický pokrok. Nová technologie nalezne uplatnění v řadě odvětví jako je pokročilá laserová technologie, mikroskopie, solární články, elektronika, diagnostice nemocí a další.

 Obr. Pomocí molekuly DNA je vytvořena forma, do které vědci „odlijí“ požadovaný tvar. Zleva doprava je znázorněn postup procesu, kdy je nejprve v počítači vytvořena DNA formička. Horní obrázky ukazují návrh 3D formy v počítačovém programu. Spodní řada ukazuje obrázky z elektronového mikroskopu v jednotlivých stádiích odlévání. Do DNA formy se umístí zlaté zrno (černá skvrna), které se chemicky přinutí expandovat a tím vyplní DNA formu. Credit: Harvard's Wyss Institute

„Vytvořili jsme vlastně nano-slévárnu. Pomocí ztuhlé DNA vytvoříme požadovanou formu, kterou si předem digitálně navrhneme na počítači. Do této formy poté „odléváme“ 3D tvary z různých kovů“, vysvětluje Peng Yin, autor nové studie, profesor sytémové biologie na Harvard Medical School. Studie byla publikována v prestižním časopise Science.

Studie je průlomová hned ve dvou aspektech. Jednak v DNA nanotechnologii a jednak v syntéze anorganických nanočástic. Vědci poprvé popsali obecnou strategii, jak vyrábět anorganické nanočástice přesných tvarů o rozměrech menších než 25nm (1nm = 10^-9 m) s přesností menší než 5nm. Jen pro představu, tloušťka listu papíru je 100 000 nm.

Tvar anorganické nanočástice je nejdříve pečlivě navržen na počítači ve speciálním programu. Dále je pomocí stejného programu postupně konstruována i trojrozměrná DNA „formička“ o požadovaných rozměrech.

„Během posledních let se vědcům úspěšně daří vytvářet složité 3D tvary z řetězců DNA pomocí různých technik“, říká Wei Sun, PostDoc a hlavní autor článku. Například, v roce 2012 tým kolegů z Wyss Systems Lab publikoval, jak mohou být pomocí speciálního počítačového programu navrženy a posléze i zkonstruovány stovky různých jedno, dvou i třírozměrných DNA nano-struktur s velkou přesností. Právě tyto počáteční úspěchy s DNA nano-strukturami přiměly tým ve výzkumu pokračovat a využít DNA pro konstrukci velmi přesných nano-formiček pro odlévání kovů.

„Největší výzvou bylo přijít na to, jak odlít anorganické materiály jako je zlato nebo stříbro v organických DNA formičkách“, dodává Sun.

Podobně jako může být jakýkoliv expandující materiál zformován uvnitř omezeného prostoru do definovaného tvaru, vědcům se takto podařilo expandovat anorganické částice uvnitř definovaných formiček tvořených molekulami DNA.

Celý princip můžeme přirovnat k japonské metodě, při které se pěstují melouny ve skleněných formách tvaru krychle. Jak meloun roste, vyplní skleněnou formu a po dozrání má tvar kostky a tento tvar si udrží i po vyjmutí z formy. Takto pěstované melouny jsou lépe skladovatelné a lépe se převážejí než jejich ovální kolegové.

Vědci tedy tento jednoduchý princip okopírovali. Do předem připravené DNA formičky tvaru krychle se nejprve „zaseje“ miniaturní zlaté zrnko a poté se chemicky stimuluje jeho expanze.  Zrnko po expanzi vyplní prostor definovaný molekulou DNA a tím se získá kýžená zlatá nanokrychle. Rozměry formy se samozřejmě dají lehce změnit, stačí jen přidat nebo ubrat základní stavební materiál DNA, nukleotidy.

DNA je i v tak malých rozměrech velmi pevná molekula, která dokáže odolat tlaku expandujícího kovu. Vědci ve své studii využili zlato jako modelový kov, využít se ale dají i další anorganické materiály.

Po prvotních optimalizacích se v další fázi vědci vrhli na tvorbu složitějších 3D polygonálních tvarů jako např. 3D nanočástice varu písmene „Y“ nebo dokonce struktury složené z více tvarů (např. krychli umístěnou mezi dvě koule jako sendvič). „Práce s DNA je úžasná a jednoduchá, DNA dělá přesně to, co po ní chceme. Modifikace tvarů spočívají vlastně pouze v tom, že si hrajeme s pořadím a počtem nukleovým bází, stavebních kamenů života,“ dodává prof. Yin.

Velmi důležitou vlastností DNA je její robustnost, neustále si drží svůj tvar a obklopuje anorganický materiál i po jeho expanzi. To umožňuje další úpravy povrchu tohoto DNA obalu, což rozšiřuje využití nové technologie. To, že DNA obal přetrvá bez poškození expanzi kovu, má obrovskou výhodu. Už nyní se začínají vyvíjet specifické sondy, které na základě sekvence DNA obalu dokáží detekovat např. rakovinové bujení nebo další genetické choroby. Kov uvězněn uvnitř DNA obalu pak slouží jako prostředník k detekci, zda se daná sekvence DNA obalu navázala na cílový gen. Na druhé straně DNA lze pomocí enzymů velmi snadno odstranit. To zase otvírá prostor pro aplikace při vývoji počítačových nanočipů. V současné době jsou čipy konstruovány v mikroměřítku. Nová technologie posouvá hranice o tři řady níže, což povede k rychlejším a výkonnějším počítačům, uvnitř kterých tepou nanočipy.

„Je to opravdu důležitý pokrok v nanotechnologii. Povedlo se zkrotit samotný základ života, molekulu DNA, donutit ji pracovat jak potřebujeme a vytvářet jednoduché ale i komplexní 3D nano-struktury,“ dodává Don Ingber, ředitel Wyss Institutu. Tato nová nanotechnologie nám otevře dveře k řadě aplikací od konstrukce počítačových čipů nové generace, přes energetiku až po léčbu rakoviny.

Autor: Ing. Jiří Bárta, Ph.D.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje

W. Sun, E. Boulais, Y. Hakobyan, W. L. Wang, A. Guan, M. Bathe, P. Yin. Casting inorganic structures with DNA molds. Science, 2014; DOI: 10.1126/science.1258361

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard. "DNA nano-foundries cast custom-shaped metal nanoparticles." ScienceDaily. ScienceDaily, 9 October 2014. <www.sciencedaily.com/releases/2014/10/141009154120.htm>