Две группы ученых одновременно опубликовали в журнале Nature свои работы, посвященные созданию трехмерных кристаллоподобных структур из наночастиц золота с прикрепленными нитями ДНК. Наночастицы формируют упорядоченную решетку за счет взаимодействия присоединенных фрагментов ДНК. Размер использованных наночастиц варьировал от 10 до 15 нанометров.
Группа исследователей под руководством Олега Ганга из Национальной лаборатории Брукхевена, Нью-Йорк, присоединяла к наночастицам фрагменты ДНК, оканчивающиеся длинной неспаренной нитью. Неспаренные фрагменты ДНК могут образовывать двухцепочечную спираль с фрагментами определенной последовательности – так называемыми комплементарными фрагментами.
Ученые синтезировали две партии наночастиц так, чтобы в каждой из них были одноцепочечные фрагменты только одного типа, которые не могут соединиться друг с другом. При этом фрагменты ДНК одной партии были комплементарны фрагментам из другой. При смешении двух партий фрагменты соединялись, образуя относительно прочную двойную спираль. В результате наночастицы формировали кристаллоподобную структуру, удерживаясь вместе за счет соединенных нитей ДНК.
Изменяя длину цепей ДНК, ученые получали кристаллы, в которых наночастицы находились на различном расстоянии друг от друга. Однако при чрезмерном укорачивании фрагментов ДНК, прикрепленных к наночастицам, упорядоченная решетка не формировалась. Вместо этого наночастицы слипались, образуя аморфный комок.
Ученые из Северо-западного университета, Иллинойс, также использовали в своей работе золотые наночастицы с прикрепленными нитями ДНК. Схема их эксперимента в общих чертах совпадала с той, которую использовали исследователи из Брукхевена. Однако здесь ученые сосредоточились на вопросе регуляции параметров кристаллической решетки путем изменения последовательности нуклеотидов в цепях ДНК. ДНК с различным нуклеотидным составом формирует пространственные структуры, несколько отличающиеся по конфигурации. Соответственно, и расположение наночастиц в узлах "решетки" будет различным.
Ученые научились получать два типа кристаллических структур: гранецентрированную и объемноцентрированную. Решетки первого типа образованы из кубических ячеек, в которых наночастицы расположены в углах куба и по центру каждой поверхности. Во втором случае одна наночастица располагается в центре каждой кубической ячейки, а остальные – в углах.
До сих пор ученым удавалось создавать только двухмерные структуры на основе наночастиц и ДНК. Руководитель одной из групп Чэд Миркин считает, что получение трехмерных структур - принципиально новый шаг. Перспективы использования трехмерных наноконструкций заданной структуры огромны. Сейчас обе группы ученых работают над созданием "кристаллов" с более сложным типом решетки.
Одним из возможных применений полученных кристаллов может быть следующее: подобные структуры можно "строить" не только из золота. С помощью конструкции из каталитических частиц, образующих упорядоченную кристаллическую структуру, можно контролировать протекание химических реакций в потоке жидкости.