Creación de Nanomateriales 3D Innovadores mediante Ensamblaje Programable por ADN

Universidad de Columbia, Nueva York, NY

Imagen de microscopía electrónica de una nanopartícula 3D ensamblada usando enlaces programables por ADN. (Imagen: Oleg Gang)

Cuando se construyó el Empire State Building, sus 102 pisos se elevaron sobre midtown una pieza a la vez, con cada elemento individual combinándose para convertirse, durante 40 años, en el edificio más alto del mundo. En el uptown de Columbia, Oleg Gang y su laboratorio de ingeniería química no están construyendo arquitectura Art Deco; sus hitos son dispositivos increíblemente pequeños construidos a partir de bloques de construcción nanoscópicos que se autoensamblan.

"Ahora podemos construir organizaciones 3D complejamente prescritas a partir de nanocomponentes autoensamblados, una especie de versión a nanoescala del Empire State Building", dijo Gang, Profesor de Ingeniería Química y de Física Aplicada y Ciencia de Materiales en Columbia Engineering y líder del Grupo de Nanomateriales Blandos y Biológicos del Centro de Nanomateriales Funcionales en el Laboratorio Nacional Brookhaven.

"Las capacidades para fabricar materiales 3D a nanoescala por diseño son críticas para muchas aplicaciones emergentes, que van desde manipulación de luz hasta computación neuromórfica, y desde materiales catalíticos hasta andamios y reactores biomoleculares", dijo Gang.

En dos artículos, uno publicado en Nature Materials y otro en ACS Nano, Gang y sus colegas describen una nueva metodología para fabricar estructuras 3D a nanoescala dirigidas mediante autoensamblaje que pueden usarse en una variedad de aplicaciones, y proporcionan un algoritmo de diseño para que otros sigan el mismo camino. Y todo se basa en los bloques de construcción biomoleculares más básicos: el ADN.

Cuando se trata de fabricación a pequeña escala de microelectrónica, los enfoques convencionales se basan en estrategias top-down. Un enfoque común es la fotolitografía, que usa luz potente y plantillas intrincadas para grabar circuitos. Pero las técnicas litográficas principales luchan con estructuras tridimensionales complejas, mientras que la manufactura aditiva, más conocida como impresión 3D, aún no puede fabricar características a nanoescala. En términos de flujo de trabajo, ambos métodos fabrican cada característica una por una, serialmente. Este es un proceso intrínsecamente lento para construir objetos 3D.

Tomando sus señales de los bio-sistemas, Gang construye materiales y dispositivos 3D desde abajo hacia arriba mediante procesos de autoensamblaje dirigidos por ADN. Ha estado refinando su método a través de colaboraciones con otros científicos para construir, por ejemplo, electrónica extremadamente pequeña que necesitan para su trabajo.

Hace dos meses, él y su ex estudiante, Aaron Michelson, ahora científico de planta en el Centro de Nanomateriales Funcionales del Laboratorio Nacional Brookhaven, entregaron un prototipo para colaboradores de la Universidad de Minnesota interesados en crear sensores de luz 3D integrados en microchips. Construyeron los sensores cultivando andamios de ADN en un chip y luego recubriéndolos con material sensible a la luz.

Ese dispositivo fue solo el primero de muchos. En su último artículo en Nature Materials, Gang y su equipo establecen una estrategia de diseño inverso para crear las estructuras 3D deseadas a partir de un conjunto de componentes de ADN a nanoescala y nanopartículas. El estudio presenta cuatro aplicaciones más de su enfoque de 'origami de ADN' para diseño de materiales: una estructura similar a cristal compuesta por cadenas unidimensionales y capas bidimensionales; un mimetismo de materiales comúnmente encontrados en paneles solares; otro cristal que gira en un remolino helicoidal; y, para el colaborador Nanfang Yu, Profesor de Física Aplicada en Columbia Engineering, una estructura que reflejará la luz de maneras particulares para su objetivo de crear una computadora óptica.

Usando técnicas de caracterización avanzadas, como dispersión de rayos X basada en sincrotrón y métodos de microscopía electrónica, en Columbia y Laboratorios Nacionales Brookhaven, el equipo confirmó que las estructuras resultantes coincidían con sus diseños y revelaron las consideraciones de diseño para mejorar la fidelidad de la estructura. Cada una de estas estructuras únicas se autoensambló en pozos de agua en el laboratorio de Gang. Este tipo de formación de material es paralela en su naturaleza ya que los componentes se unen durante el proceso de ensamblaje, significando ahorros significativos de tiempo y costo para la fabricación 3D comparado con métodos tradicionales. El proceso de fabricación también es ambientalmente amigable ya que el ensamblaje ocurre en agua.

"Esta metodología de ensamblaje, acoplada con automatización de robótica líquida en la que estoy trabajando ahora en BNL, abre nuevas posibilidades para establecer nanofabricación 3D para una amplia gama de aplicaciones", dijo Brian Minevich, co-primer autor del artículo, quien fue estudiante de doctorado en el laboratorio de Gang y ahora es becario postdoctoral en BNL.

"Esta es una plataforma aplicable a muchos materiales con muchas propiedades diferentes: biológicas, ópticas, eléctricas, magnéticas", dijo Gang. El resultado final simplemente depende del diseño.

El ADN se pliega predeciblemente, ya que los cuatro ácidos nucleicos que lo componen solo pueden emparejarse en combinaciones particulares. Pero cuando la estructura deseada contiene millones, si no miles de millones de piezas, ¿cómo se llega a la secuencia inicial correcta? Gang y sus colegas resuelven este desafío con un enfoque de diseño estructural inverso. "Si conocemos la gran estructura con la función que queremos crear, podemos diseccionarla en componentes más pequeños para crear nuestros bloques de construcción con atributos estructurales, de unión y funcionales requeridos para formar la estructura deseada", dijo Gang.

Los bloques de construcción son hebras de ADN que se pliegan en una forma octaédricamente mecánicamente robusta, a la que Gang se refiere como un voxel, con conectores en cada esquina que vinculan cada voxel. Muchos voxels pueden diseñarse para unirse en un motivo 3D repetitivo particular usando codificación de ADN, similar a cómo las piezas de rompecabezas forman una imagen compleja. Los motivos repetitivos, a su vez, también se ensamblan en paralelo para crear la estructura jerárquicamente organizada dirigida. El colaborador Sanat Kumar, Profesor Michael Bykhovsky y Charo Gonzalez-Bykhovsky de Ingeniería Química en Columbia, proporcionó una verificación computacional del enfoque de diseño inverso de Gang.

Para habilitar la estrategia de diseño inverso, los investigadores deben averiguar cómo diseñar estas 'piezas de rompecabezas' nanoescalares basadas en ADN con el número mínimo necesario para formar la estructura deseada. "Puede pensarse como comprimir un archivo. Queremos minimizar la cantidad de información para que el autoensamblaje de ADN sea lo más eficiente posible", dijo el primer autor Jason Kahn, científico de planta en BNL y anteriormente postdoc en el grupo de Gang. Llamado Mapeo de Ensamblaje Estructuralmente Codificado, o MOSES, este algoritmo es como software CAD a nanoescala, añadió Gang. "Le dirá qué voxel de ADN usar para hacer una red 3D jerárquicamente ordenada definida arbitrariamente".

A partir de ahí, puede agregar diversos tipos de 'carga' nano dentro de los voxels de ADN que imbuirán la estructura final con propiedades particulares. Por ejemplo, nanopartículas de oro se incrustaron para dar propiedades ópticas únicas, como se demostró en los experimentos de Yu. Pero, como se mostró anteriormente, tanto componentes nano inorgánicos como bio-derivados pueden integrarse en estos andamios de ADN.

Una vez ensamblado el dispositivo, el equipo también lo 'mineralizó'. Recubrieron andamios con sílice y luego los expusieron al calor para descomponer el ADN, convirtiendo efectivamente el andamio orgánico original en una forma inorgánica altamente robusta.

Gang continúa colaborando con Kumar y Yu para descubrir principios de diseño que permitan la ingeniería y ensamblaje de estructuras complejas, con la esperanza de realizar diseños aún más complicados, incluyendo un circuito 3D destinado a imitar la conectividad compleja del cerebro humano.

"Estamos bien encaminados para establecer una plataforma de nanofabricación 3D bottom-up. Vemos esto como impresión 3D de próxima generación a nanoescala, pero por ahora el poder del autoensamblaje basado en ADN nos permite establecer fabricación masivamente paralela", dijo Gang.

Para más información, contacte a Oleg Gang en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita tener JavaScript habilitado para verla..