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 mediante enlaces programables de ADN. (Imagen:Oleg Gang)

Cuando se construyó el Empire State Building, sus 102 pisos se elevaban pieza por pieza sobre el centro de la ciudad, y cada elemento individual se combinó para convertirse, durante 40 años, en el edificio más alto del mundo. En la zona alta de Columbia, Oleg Gang y su laboratorio de ingeniería química no están construyendo arquitectura Art Déco; sus puntos de referencia son dispositivos increíblemente pequeños construidos a partir de bloques de construcción nanoscópicos que se organizan solos.

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

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

En dos artículos, uno publicado en Nature Materials y un segundo en ACS Nano , Gang y sus colegas describen una nueva metodología para fabricar estructuras a nanoescala 3D específicas mediante autoensamblaje que puede encontrar uso en una variedad de aplicaciones, y proporcionan un algoritmo de diseño para que otros sigan su ejemplo. Y todo se basa en los componentes biomoleculares más básicos:el ADN.

Cuando se trata de fabricación de microelectrónica a pequeña escala, los enfoques convencionales se basan en estrategias de arriba hacia abajo. Un enfoque común es la fotolitografía, que utiliza una luz potente y plantillas intrincadas para grabar circuitos. Pero las técnicas litográficas convencionales luchan con estructuras tridimensionales complejas, mientras que la fabricación 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, en serie. Este es un proceso intrínsecamente lento para construir objetos 3D.

Siguiendo el ejemplo de los biosistemas, Gang construye materiales y dispositivos 3D desde abajo hacia arriba mediante procesos de autoensamblaje dirigidos por el ADN. Ha estado perfeccionando su método mediante colaboraciones con otros científicos para construir, por ejemplo, componentes electrónicos extremadamente pequeños que necesitan para su trabajo.

Hace dos meses, él y su antiguo alumno, Aaron Michelson, ahora científico del Centro de Nanomateriales Funcionales del Laboratorio Nacional Brookhaven, entregaron un prototipo a colaboradores de la Universidad de Minnesota interesados en crear sensores de luz 3D integrados en microchips. Construyeron los sensores haciendo crecer estructuras de ADN en un chip y luego cubriéndolas con material sensible a la luz.

Ese dispositivo fue sólo 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 nanopartículas y componentes de ADN a nanoescala. El estudio presenta cuatro aplicaciones más de su enfoque de 'origami de ADN' al diseño de materiales:una estructura similar a un cristal compuesta por cuerdas unidimensionales y capas bidimensionales; una imitación de los materiales que se encuentran comúnmente en los paneles solares; otro cristal que gira en un remolino helicoidal; y, para su 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.

Utilizando técnicas de caracterización avanzadas, como métodos de microscopía electrónica y dispersión de rayos X basados en sincrotrón, en los Laboratorios Nacionales de Columbia y Brookhaven, el equipo confirmó que las estructuras resultantes coincidían con sus diseños y reveló las consideraciones diseñadas para mejorar la fidelidad de la estructura. Cada una de estas estructuras únicas se montó en pozos de agua en el laboratorio de Gang. Este tipo de formación de material es de naturaleza paralela, ya que los componentes se unen durante el proceso de ensamblaje, lo que significa importantes ahorros de tiempo y costos para la fabricación 3D en comparación con los métodos tradicionales. El proceso de fabricación también es respetuoso con el medio ambiente ya que el montaje se realiza en agua.

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

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

El ADN se pliega de manera predecible, ya que los cuatro ácidos nucleicos que lo componen sólo 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 estructura grande con la función que queremos crear, podemos diseccionarla en componentes más pequeños para crear nuestros bloques de construcción con los atributos estructurales, vinculantes y funcionales necesarios para formar la estructura deseada", dijo Gang.

Los bloques de construcción son hebras de ADN que se pliegan en una forma octaédrica mecánicamente robusta, a la que Gang se refiere como vóxel, con conectores en cada esquina que unen cada vóxel. Se pueden diseñar muchos vóxeles para unirse en un motivo 3D repetitivo particular utilizando codificación de ADN, de manera similar a cómo las piezas de un rompecabezas forman una imagen compleja. Los motivos repetitivos, a su vez, también se ensamblan en paralelo para crear la estructura jerárquicamente organizada objetivo. El colaborador Sanat Kumar, profesor de Ingeniería Química Michael Bykhovsky y Charo González-Bykhovsky en Columbia, proporcionó una verificación computacional del enfoque de diseño inverso de Gang.

Para permitir la estrategia de diseño inverso, los investigadores deben descubrir cómo diseñar estas "piezas de rompecabezas" a nanoescala basadas en ADN con el número mínimo necesario para formar la estructura deseada. "Se puede pensar en ello como comprimir un archivo. Queremos minimizar la cantidad de información para que el autoensamblaje del ADN sea más eficiente", dijo el primer autor Jason Kahn, científico del BNL y anteriormente postdoctorado en el grupo de Gang. Apodado Mapeo de ensamblaje estructuralmente codificado, o MOSES, este algoritmo es como un software CAD a nanoescala, añadió Gang. "Le dirá qué vóxel de ADN utilizar para crear una red 3D ordenada jerárquicamente definida arbitrariamente".

A partir de ahí, se pueden agregar diversos tipos de nano-'carga' dentro de los vóxeles de ADN que imbuirán a la estructura final de propiedades particulares. Por ejemplo, se incrustaron nanopartículas de oro para otorgar propiedades ópticas únicas, como se demostró en los experimentos de Yu. Pero, como se mostró anteriormente, en estos armazones de ADN se pueden integrar nanocomponentes tanto inorgánicos como de origen biológico.

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

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

"Estamos en camino de establecer una plataforma de nanofabricación 3D ascendente. Vemos esto como la impresión 3D de próxima generación a nanoescala, pero por ahora el poder del autoensamblaje basado en ADN nos permite establecer una fabricación paralela masiva", dijo Gang.

Para obtener más información, comuníquese con Oleg Gang en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita activar JavaScript para verlo..