ДНК превращает раствор наночастиц в кристаллы правильной формы

Природа создает безупречные драгоценные камни — алмазы, сапфиры, рубины… Ученые из Северо-западного университета (США) научились изготавливать единичные кристаллы почти идеальной формы из наночастиц и ДНК. Структура кристалла в высшей степени упорядочена — в решетке его атомов нет дефектов, что и наделяет кристаллы уникальными механическими, оптическими и электрическими свойствами. Чэд Миркин (Chad Mirkin), Моника Оливера де ла Крус (Monica Olvera de la Cruz) и их коллеги превратили хаотичную массу золотых наночастиц в упорядоченный кристалл, соединив их нитями комплементарной ДНК.

Секрет успеха — в правильном соотношении длины ДНК-линкеров и размера наночастицы. Эта пропорция влияет на энергию кристаллических граней: если наблюдаются слишком мощные флуктуации энергии, то получается сфера, а не ограненный кристалл.

«Представьте, что у вас есть миллион шариков двух цветов (красного и синего, например), и вам надо трясти коробку, чтобы за каждым синим шариком следовал красный. Вам никогда не достичь цели. Но если прикрепить к ним ДНК (на синий шарик — одну, на красный — другую, комплементарную первой), и потрясти коробку — или взболтать воду, как сделали мы — то частицы сами найдут своих «партнеров» и соединятся с ними», — рассказывает Миркин. «Получился прекрасный трехмерный кристалл, структуру которого мы рассчитали на компьютерной модели».

Погрузив в воду около миллиона наночастиц, ученые нагрели раствор до температуры, слегка превышающей точку плавления ДНК-линкеров, а потом медленно охладили его до комнатной температуры (это заняло несколько дней).

Чрезвычайно медленный процесс охлаждения помог однонитевой ДНК найти свои комплементарные цепочки — и получился правильный кристалл шириной в три микрона. «Наш процесс предоставляет системе достаточно времени и энергии, чтобы все частицы расположились правильным образом и нашли свое место», — говорит Миркин.

Исследователи определили, что длина нити ДНК, соединенной с каждой наночастицей золота, не должна быть сильно длиннее частицы. Размер наночастиц варьировал в пределах 5-20 нанометров; длина соответствующих отрезков ДНК не превышала 18 пар оснований и 6 «клейких кончиков» из одного основания.
«Ничего не помешает нам изменить исходные параметры и вырастить большие кристаллы». — заявил Миркин.