研究者たちは、周囲の溶液に少量の DNA を追加するだけで、さまざまな結晶構造に組み立てることができる小さな金粒子を設計しました。将来的には、このような再プログラム可能な粒子を使用して、光に反応して自分自身を再形成する材料を作成したり、反応が進行するにつれて自分自身を再形成する新しい触媒を作成したりすることができます.
ミシガン大学アナーバー校の化学技術者 Sharon Glotzer は、「この論文は非常に興味深いものです」と述べ、「多能性物質への一歩」と呼んでいます。シアトルにあるワシントン大学の化学者である David Ginger も同意見です。 Glotzer も Ginger も現在の研究とは関係ありません。
夢は数十年前、化学者がナノ粒子 (サイズが 100 ナノメートル未満の原子の塊) を合成する方法を初めて発見したときに始まりました。研究者たちはすぐに、これらの粒子がどのように組み立てられるかを制御して、新しい材料をボトムアップで構築する方法を探し始めました.
今日、ゼロから構築される材料はほとんどありません。 1 つの例外は、通信機器からバーコード スキャナーまで、あらゆるものに使用されるレーザー材料です。しかし、原子を層ごとに表面に追加することによって形成される材料は、製造に非常に費用がかかり、サイズが厳しく制限されます。ナノ粒子を組み立てることで、より大きく、より多様な材料を安価に成長させる新しい方法が提供される可能性があります。しかし、ほとんどの場合、これを行うために必要なレベルの制御を習得することは難しいことがわかっています.
うまく機能しているアプローチの 1 つは、イリノイ州エバンストンにあるノースウェスタン大学の化学者 Chad Mirkin とその同僚によって開拓されました。マーキンのチームは、金ナノ粒子の外面を一本鎖 DNA の断片で装飾し、ベルクロのようなこれらの鎖を使用して、隣接する粒子を結合させました。個々の粒子が互いに接近するにつれて、鎖はより一般的な形の二本鎖 DNA に編み込まれ、粒子を一緒に保持します。長年にわたり、Mirkin のチームは、このセットアップをさまざまな配列でコーティングされた粒子を誘導してさまざまな種類の結晶に組み立てる手段として使用できることを示し、その過程で特定の DNA 鎖とタンパク質を検出するための強力なセンサーを作成しました。しかし、このアプローチが成功したにもかかわらず、チームが新しい結晶方位を持つ材料を構築するたびに、DNA リンカーを再設計する必要がありました.
もう違います。現在の研究では、Mirkin と彼の同僚は、いったん形成されると、結晶材料を形成できる多種多様なビルディング ブロックのいずれかに組み立てることができる、変換可能なナノ粒子の作成に着手しました。そうするために、彼らはまだ金ナノ粒子をDNAでコーティングすることに頼っていました。しかし、彼らは一本鎖 DNA を粒子に結合する代わりに、「ヘアピン」と呼ばれる DNA の一本鎖を連結し、ナノ粒子から突き出た端がループバックし、粒子に近い DNA の部分に結合しました。
この「閉じた」状態では、ヘアピン DNA は他のナノ粒子上の DNA に結合できません。しかし、研究者たちは、ナノ粒子にくっついたヘアピンの部分に結合するようにプログラムされた別の短い DNA 鎖のセットを溶液に追加しました。これによりヘアピンの末端が解放され、別のナノ粒子の相補鎖に自由に結合できる「粘着末端」が作成されました。これらの粘着末端の配列は、それらが同様のサイズの粒子またはより大きな粒子に結合するようにプログラムすることができます.
チームはまた、複数の種類の DNA ヘアピンを組み合わせることができることも示しました。これらは個々のナノ粒子で別々に放出される可能性があり、それにより研究者は、結晶が成長するにつれてナノ粒子がどのパートナーと集合するかを正確に選択することができます.
研究者はまた、DNA ヘアピンの長さ、粒子の周りに集まる濃度、およびさまざまな種類の粒子の濃度を変更することによって、どの結晶が形成されるかをより詳細に制御できるようにしました。彼らは今日の Science 号で報告します これらの異なるノブを使用して、10個の異なるクリスタルを作成した.しかし、Mirkin 氏によると、彼のチームはすでに粒子を 500 種類以上の異なる結晶形に組み立てる能力を持っています。 「これにより、設計によって材料を作成する能力が得られます」と彼は言います。
この能力は、結晶内のナノ粒子の間隔を厳密に制御して、透過、反射、さらには発光する光の色を決定する新しい光学材料の設計に特に役立つはずです。新しいプロセスは、そのような制御を可能にします、と Mirkin は言います。そして、生物と同じように、わずかな DNA が大きな違いを生むことを示しています。
