Наночастицы в форме куба с толстыми оболочками ДНК собираются в редкий трехмерный узор «зигзаг»

От доисторических пирамид до современных зданий были созданы различные трехмерные (3D) структуры путем объединения фасонных объектов. В макромасштабе форма объекта является фиксированной и, следовательно, определяет, как их можно установить. Например, кирпичи, покрытые строительным раствором, сохраняют свою вытянутую прямоугольную форму. Но на наноуровне форма объектов может быть в определенной степени изменена, когда они покрыты органическими молекулами, такими как поверхностно-активные вещества (поверхностно-активные вещества), полимеры и ДНК. Эти молекулы в основном образуют «мягкую» оболочку вокруг «жестких» или жестких нанообъектов. Когда нанообъекты упаковываются вместе, их первоначальная форма может быть не полностью сохранена, поскольку оболочка является гибкой – тип наноразмерной скульптуры.

Ученые из лаборатории Брукхейвена Фанг Лу (сидя), (слева направо, стоя) Олег Ганг, Кевин Ягер и др. Юган Чжан в лаборатории электронной микроскопии в Центре функциональных наноматериалов. Ученые использовали электронные микроскопы для визуализации структуры нанокубов, покрытых ДНК. (Изображение предоставлено: Брукхейвенская национальная лаборатория)

В настоящее время группа исследователей из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Columbia Engineering продемонстрировали, что наночастицы в форме куба или нанокубы, покрытые одноцепочечными цепями ДНК, собираются в редкую «зигзагообразную» структуру это никогда не было замечено прежде в наномасштабе или макромасштабе. Подробности их открытия опубликованы в 17 мая -ом выпуске Science Advances .

«У наноразмерных объектов почти всегда есть какая-то оболочка, потому что мы намеренно прикрепляем к ним полимеры во время синтеза, чтобы предотвратить агрегацию», объяснил соавтор Олег Ганг, руководитель группы мягких и биологических наноматериалов в Центр по функциональным наноматериалам (CFN) – отдел пользовательского образования Министерства образования США в Брукхейвенской лаборатории – и профессор химической инженерии и прикладной физики и материаловедения в Колумбийском университете. «В этом исследовании мы исследовали, как изменение мягкости и толщины оболочек ДНК (то есть длины цепей ДНК) влияет на упаковку золотых нанокубов».

Банда и другие члены команды – Фан Лу и Кевин Ягер из CFN; Юган Чжан из Национального Синхротронного Источника Света II (NSLS-II), другого объекта Министерства науки США в Брукхейвене; и Санат Кумар, Тхи Во и Алекс Френкель из Колумбийского департамента химической инженерии – обнаружили, что нанокубы, окруженные тонкими оболочками ДНК, упаковываются аналогично тому, что и предполагалось в макромасштабе, причем кубы расположены в аккуратных слоях, ориентированных непосредственно друг над другом. Но это базовое кубическое расположение уступает место очень необычному типу упаковки, когда толщина оболочки увеличивается (то есть, когда оболочка становится «более мягкой»).

«Каждый нанокуб имеет шесть граней, где он может соединяться с другими кубами», объяснил Ганг. «Кубы с комплементарной ДНК притягиваются друг к другу, но кубы с одинаковой ДНК отталкиваются друг от друга. Когда оболочка ДНК становится достаточно мягкой (толстой), кубы образуют зигзагообразный узор, который максимизирует притяжение и сводит к минимуму отталкивание, оставаясь упакованным настолько плотно, насколько это возможно.

«Такого рода упаковка никогда ранее не встречалась, и она нарушает ориентационную симметрию кубов относительно векторов (направления осей x, y и z в кристалле) элементарной ячейки, », – сказал первый автор Фанг Лу, ученый из группы Ганга. «В отличие от всех ранее наблюдавшихся упаковок кубов, угол между кубами и этими тремя осями не одинаков: два угла отличаются от других».

Элементарная ячейка представляет собой мельчайшую повторяющуюся часть кристаллической решетки, которая представляет собой совокупность точек в трехмерном пространстве, где расположены наночастицы. Фасонные наночастицы могут быть ориентированы по-разному относительно друг друга в элементарной ячейке, например, их гранями, углами или краями. Зигзагообразная упаковка, которую исследователи отметили в этом исследовании, является своего рода наноразмерным компромиссом, при котором ни одна относительная ориентация не «выигрывает». Вместо этого кубы находят идеальное расположение, чтобы сосуществовать в упорядоченной решетке, основываясь на том, имеют ли они комплементарную или одинаковую ДНК. (то есть, отталкивая или притягивая друг друга соответственно).

Здесь могут существовать два разных типа решетки: телесно-центрированная (BCT) и телесно-центрированная (BCC). И BCT, и BCC имеют одинаковое расположение частиц в центре и углах кубов, но у BCC есть стороны элементарной ячейки одинаковой длины, а BCT – нет.

Чтобы предвидеть форму кубов и их упаковочное поведение, исследователи использовали устройство электронной микроскопии в CFN и малоугловом рентгеновском рассеянии (SAXS) на более ранней X9 линии NSLS и комплексной линии рассеяния материалов. NSLS-II. Исследования электронной микроскопии требуют, чтобы материалы были удалены из раствора, но SAXS может быть проведен на месте, чтобы предложить более полную и точную информацию о структуре. В этом исследовании данные рассеяния были полезны при выявлении расстояний между частицами, симметрий и ориентаций частиц в трехмерных структурах нанокубов. Теоретические расчеты, выполненные группой Кумара в Колумбии, подтвердили, что зигзагообразное расположение вполне возможно и рационализировано, почему этот вид упаковки происходил в соответствии со свойствами оболочек ДНК.

В настоящее время команда заинтересована в том, чтобы определить, упаковываются ли нанообъекты с мягкими оболочками, которые не являются кубами или имеют более одной формы, непредвиденными способами.

Понимание взаимодействия между фасонными нанообъектами и мягкими оболочками позволит нам направить организацию объектов в конкретные структуры с желаемыми оптическими, механическими и другими свойствами.

Санат Кумар, факультет химической инженерии, Колумбийский университет

Source link