Forscher aus dem Nordwesten haben gezeigt, dass die Feinabstimmung der DNA-Wechselwirkungsstärke das kolloidale Kristall-Engineering verbessern kann, um ihre Verwendung bei der Herstellung einer Reihe von funktionellen Nanomaterialien zu verbessern, so eine kürzlich in veröffentlichte Studie ACS-Nano.
Chad Mirkin, Ph.D., Professor für Medizin in der Abteilung für Hämatologie und Onkologie, George B. Rathmann-Professor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences im Nordwesten und Direktor des International Institute for Nanotechnology, war leitender Autor des lernen.
Beim Generieren kolloidaler Kristalle mit DNA werden Nanopartikel in programmierbare Atomäquivalente oder „PAEs“ modifiziert, die zur Bildung kolloidaler Kristalle verwendet werden, die dann zum Entwerfen programmierbarer, synthetischer DNA-Sequenzen verwendet werden können.
In jüngster Zeit konzentrierte sich dieser Prozess auf die Steuerung von Kristallgröße und -form, jedoch kann es selbst mit etablierten Methoden schwierig sein, Kristallbildung oder Keimbildung und Wachstum zu trennen.
„Neue Kristalle können während des gesamten Prozesses Keime bilden, während vorhandene während des gesamten Prozesses wachsen, und so können Sie einige sehr kleine Kristalle haben, die sich spät im Prozess bilden, und große, die die ganze Zeit wachsen, und Sie erhalten am Ende wirklich uneinheitliche Population in Bezug auf die Größe der Kristalle. Daher war der Versuch, diese beiden Ereignisse, das Wachstum von der anfänglichen Kristallbildung, zu trennen, das Problem, das wir angehen wollten“, sagte Kaitlin Landy, Ph.D. Student am Department of Chemistry des Weinberg College of Arts and Sciences und Co-Lead-Autor der Studie.
In der Studie erforschte Mirkins Team, wie die DNA-Interaktionsstärke genutzt werden kann, um Nukleation und Wachstum in kolloidaler Kristallisation zu trennen.
Dazu erstellte das Team zwei Gruppen komplementärer Nanopartikel: eine Charge mit komplementären Basenpaaren, sogenannten „Seed“-PAEs, und die andere mit nicht übereinstimmenden Basenpaaren zur Herstellung von „Wachstums“-PAEs.
„Du hast also deine anfänglichen Kristalle [’seed‘ particles] die eine Lösung bilden, und zu einem späteren Zeitpunkt Ihre schwächeren [‚growth‘ particles] können auf dem aufbauen, was bereits vorhanden ist“, sagte Kyle Gibson, Postdoktorand im Mirkin-Labor und Mitautor der Studie.
Mit dieser Methode konnten die Forscher die Kristallgleichförmigkeit verbessern. Sie könnten auch unabhängig voneinander das Nanopartikel und die DNA-Hüllsequenz auswählen und sie im Wesentlichen mischen und anpassen, wodurch sie verschiedene Arten von Materialien in die Kristalle einbauen könnten.
„Eine Sache, von der wir glauben, dass sie für die Zukunft wirklich wichtig ist, ist darüber nachzudenken, wie wir diese verfolgen können [crystallization] Prozesse durch die Verwendung verschiedener Partikelkerne“, fügte Gibson hinzu.
„Diese Methode kann verwendet werden, um diese interessanten Kern-Schale-Strukturen in einem einzigen Schritt herzustellen, was zuvor mehrere Schritte mit postsynthetischer Stabilisierung des ersten Kristalls vor dem zweiten Wachstumsschritt erforderte“, sagte Landy. „Wenn wir mit diesen beiden unterschiedlichen DNA-Interaktionsstärken im Wesentlichen kennzeichnen können, wohin die verschiedenen Arten von Partikeln in der endgültigen Struktur gehen, ist es nützlich, diese grundlegenden Fragen zu untersuchen.“
Mehr Informationen:
Kaitlin M. Landy et al, Programmieren von Nukleation und Wachstum in kolloidalen Kristallen unter Verwendung von DNA, ACS-Nano (2023). DOI: 10.1021/acsnano.2c11674