211service.com
Doe-het-zelf nanotechnologie
Terwijl onderzoekers al atomen hebben gemanipuleerd om letters klein genoeg te maken om alle woorden van de Encyclopedia Britannica op de kop van een speld te passen, en rudimentaire moleculaire computers en machines hebben geassembleerd, blijven deze prestaties nieuwigheden waarvan de creatie afhankelijk is van moeilijke en dure methoden.
nutsvoorzieningen Paul Rothemund , een computerwetenschapper bij Caltech, met een achtergrond in biologie, heeft een relatief goedkope manier ontwikkeld om snel willekeurige vormen en patronen te ontwerpen en te bouwen met behulp van DNA - en, zegt hij, het is eenvoudig genoeg voor middelbare scholieren om te gebruiken. Aangezien een verscheidenheid aan moleculen en nanodeeltjes aan DNA kan worden gekoppeld, zou deze techniek een manier kunnen zijn om snel verschillende componenten als eiwitten en halfgeleidende nanobuisjes te modelleren, wat mogelijk kan leiden tot minuscule elektronische apparaten of apparaten voor het bestuderen van cellen met een ongekend detailniveau.
[Klik hier voor afbeeldingen van enkele van deze zelf-geassembleerde DNA-vormen.]
Het is echt spectaculair werk. Ik heb er enorm veel zin in, zegt William Shiho , hoogleraar biologische chemie en moleculaire farmacologie aan de Harvard Medical School, die nu bezig is om de techniek van Rothemund uit te breiden tot het bouwen van driedimensionale structuren. Rothemunds werk, zegt hij, heeft het kleine gebied van DNA-nanotechnologie overgenomen en het tot een mainstream-instrument gemaakt door het een of twee ordes van grootte goedkoper en gemakkelijker te maken te maken.
Nadrian Seeman , zegt de chemicus van de New York University, die pionierde met het gebruik van DNA voor het construeren van complexe vormen, zegt: Door op te schalen, is hij in staat om meer ingewikkelde en grotere patronen te produceren dan praktisch was met eerdere benaderingen. Dit is een opwindende vooruitgang die waarschijnlijk een revolutie teweeg zal brengen in de patroonvorming op deze schaal.
In de methode van Rothemund slingert een lange DNA-streng heen en weer totdat het een gewenste vorm vormt. De sleutel om het DNA op deze manier te laten vormen en het op zijn plaats te houden, zijn korte nietjes DNA met sequenties die zijn gekozen om aan specifieke delen van de lange streng te hechten. Rothemund verdeelt de lange streng in secties; dan zou een nietje kunnen hechten aan secties 86 en 112, bijvoorbeeld, ze samenbrengend en ervoor zorgend dat de lange streng vouwt. Een paar honderd unieke nietjes kunnen het DNA in precies de juiste vorm vouwen.
Een computerprogramma zorgt voor het identificeren van de sequenties die de nietjes moeten hebben. Ik ontwerp [de structuur] die ik wil op de computer, zegt Rothemund. Het spuugt een set van 250 DNA-sequenties uit. ik bestel ze; ze komen met de post in een aantal kleine buisjes. Ik meng ze samen [samen met de lange DNA-streng], voeg wat zout toe, verwarm het tot het kookt en koel het af tot ongeveer kamertemperatuur, en dan is het klaar. Eenmaal met elkaar vermengd, assembleren de DNA-strengen zichzelf tot de gewenste structuur.
Dergelijke zelfassemblagemethoden kunnen worden gebruikt om elke vorm of patroon te maken met een diameter van 100 nanometer of minder, en met kenmerken die ongeveer 6 nanometer uit elkaar liggen. Ter vergelijking: een rode bloedcel is ongeveer 7.000 nanometer groot. Een artikel dat Rothemunds werk beschrijft en dat vandaag in het tijdschrift verschijnt Natuur demonstreert de veelzijdigheid van de techniek met afbeeldingen van smileygezichten, vierkanten, driehoeken en sterren (klik hier). Maar Rothemund kan ook ingewikkelde patronen maken op deze vormen - hij heeft bijvoorbeeld een kaart op schaal van 1:200 biljoen getekend van het westelijk halfrond die in een cel zou kunnen passen.
Het ontwerpen van elke structuur duurde volgens Rothemund ongeveer een week. Daarna worden in slechts een paar uur biljoenen exemplaren in elkaar gezet – deze productiesnelheid is een van de eigenschappen die zelfmontage zo aantrekkelijk maakt.
Op dit moment is de techniek echter een oplossing op zoek naar het probleem. Maar Rothemund en anderen, zoals Shih, verwachten dat er binnenkort praktische toepassingen komen, omdat onderzoekers leren hoe gemakkelijk de techniek is en manieren vinden om deze op specifieke problemen toe te passen. Een mogelijkheid is het op kleinere schaal modelleren van elektronische apparaten dan mogelijk is met de huidige optische lithografiemethoden. Thomas LaBean , een chemicus en computerwetenschapper aan de Duke University, die een andere algemene DNA-zelfassemblagetechniek heeft ontwikkeld die iets moeilijker is en een lagere resolutie heeft dan die van Rothemund, ontwikkelt enkel-elektrontransistoren met een patroon van DNA die als componenten kunnen dienen voor zo'n apparaat.
Er zijn echter nog aanzienlijke uitdagingen voordat er werkende apparaten verschijnen die deze methode gebruiken. Bij zelfassemblage is er een inherent foutenpercentage, zegt Shih van Harvard. In tegenstelling tot de huidige computers, zullen zelf-geassembleerde computers bijvoorbeeld niet-functionerende componenten moeten detecteren en omzeilen. Ook zullen veel toepassingen grotere patronen vereisen dan Rothemund tot nu toe heeft gemaakt. Een mogelijke oplossing voor dat probleem, die Rothemund al met beperkt succes heeft geprobeerd, is het combineren van kleinere vormen met behulp van DNA-strengen, net zoals cellen samenkomen om een organisme te bouwen, legt hij uit.
Bovendien is de nieuwe techniek weliswaar betaalbaar voor laboratoria, maar nog niet goedkoop genoeg voor het maken van bulkmaterialen. De zelfassemblage die al is aangetoond, zou echter praktisch kunnen zijn voor het bouwen van nanoarrays die de precieze inhoud van afzonderlijke cellen kunnen meten, zegt Shih, waardoor biologen de rol van individuele cellen, bijvoorbeeld die in een zenuwstelsel, beter kunnen leren.
Sterker nog, aan de beste toepassing is misschien nog niet gedacht. Ik voel me niet ontmoedigd dat we hiervoor nog geen superkiller-applicaties hebben gevonden, zegt Shih. In staat zijn om biljoenen moleculair nauwkeurige apparaten te assembleren, is iets wat we gewoon niet hebben kunnen doen. En nu hebben we ineens deze methode waar we dat kunnen doen, voor een betaalbare prijs. Het is niet duidelijk wat die uitbetalingen zullen zijn, maar we hebben allemaal het gevoel dat ze er zijn.
Lloyd Smith , een chemicus van de Universiteit van Wisconsin, Madison, en auteur van een commentaar op het werk in Natuur , schreef: We zijn nu misschien meer beperkt door onze verbeelding dan ons vermogen.