Inne
Amerykańscy uczeni opracowali sposób wykorzystania nici DNA do budowy zupełnie nowych struktur - kryształów składających się z nanocząsteczek. Są przekonani, że dzięki ich badaniom powstanie cała seria nowych materiałów, z których w przyszłości zbudujemy niezwykle wydajne baterie słoneczne, wyjątkowo mocne mikroskopy, a nawet - pelerynkę niewidkę. O tym niezwykłym dokonaniu donosi dzisiejszy "Nature”.
Na łamach tego prestiżowego tygodnika naukowcy z Northwestern University oraz z Brookhaven National Laboratory (BNL) z amerykańskiego Departamentu Energii opisali proces będący ziszczeniem marzeń wszystkich nanotechnologów, czyli uczonych zajmujących się badaniem materii na poziomie cząsteczek i atomów.
Od ponad 10 lat naukowcy ci zastanawiali się bowiem jak "namówić” nanocząstki (czyli molekuły o wielkości miliardowych części metra), by same z siebie, bez zachęty z zewnątrz, zaczęły układać się w określoną strukturę. Pozwoliłoby to tworzyć z mikroskopijnych cegiełek zupełnie nowe substancje o wybranych, starannie wyselekcjonowanych właściwościach - np. silne katalizatory czy magnesy.
Jak jednak skłonić cząsteczki, by sczepiły się ze sobą na dobre, tak, by powstał określony wzór? Teraz już wiemy jak to zrobić. Zaprawą, która jest w stanie skleić maleńkie nanomolekuły, jest podstawowe narzędzie pracy genetyków - łańcuch DNA.
DNA to materiał genetyczny znajdujący się w komórkach wszystkich organizmów żywych (oraz wirusów). To właśnie on zawiera "przepis” na wszelkie istniejące na Ziemi formy życia. Autorzy dwóch prac opublikowanych w "Nature” twierdzą jednak, że DNA może posłużyć nie tylko do tworzenia materii ożywionej, ale i całkowicie martwej. Uczeni z dwóch amerykańskich instytucji przeprowadzili niezależnie od siebie doświadczenie, które pokazało, jak za pomocą kawałeczków DNA skłonić nanocząsteczki złota, by uformowały się w kryształy.
Brzmi to dość skomplikowanie, jednak zastosowana przez badaczy metoda jest stosunkowo prosta. Przyczepili oni do nanocząsteczek złota (kul o średnicy 10 nanometrów) kilka tuzinów pojedynczych niteczek DNA. Niteczki były krótsze lub dłuższe. W zależności od tego naukowcy wyróżnili kule A (z nitkami krótszymi) oraz B (z dłuższymi). Co istotne, nitki DNA zostały tak zbudowane, że końcówki tych krótszych idealnie pasowały do tych dłuższych.
Przygotowawszy tak kule złota, badacze wrzucili je do wody. Co się okazało? Obydwa rodzaje kul, same z siebie, się połączyły - krótkie nitki materiały genetycznego skleiły się i splotły się z tymi dłuższymi fragmentami, tworząc pełny łańcuch DNA, podwójną helisę. Złote kuleczki ułożyły się przy tym w symetryczną, trójwymiarową strukturę, tworząc materiał o budowie uporządkowanej wewnętrznie, czyli kryształ.
"Dzięki poprzednim badaniom wiedzieliśmy, że DNA można wykorzystać do łączenia ze sobą nanocząsteczek" - tłumaczy Oleg Gang kierujący grupą uczonych z BNL - "jednak nikomu dotychczas nie udało się dokonać tego eksperymentalnie".
Co tak naprawdę daje nam doświadczenie z nanocząsteczkami złota? Zdaniem Chada Mirkina z Northwestern University znaczenie eksperymentu można wyjaśnić, przyrównując go do budowy domu. Otóż zebrawszy na placu budowy cegły, pustaki, zaprawę i kamień, można wznieść różnego typu budynki. Wszystko zależy od pierwotnego planu. Tak samo z nanocząsteczek złota mogą powstać różnego typu kryształy w zależności od wykorzystanych łańcuchów DNA (liczy się zwłaszcza ich długość). Co zaś najważniejsze, po zrobieniu odpowiedniego szkicu, czyli stworzenia nitek materiału genetycznego, i przyczepieniu ich do budulca, cały proces dokonuje się samoczynnie - tak jakby architekt stał na budowie i obserwował, jak cegły same układają się w ściany, dach i podłogi.
Oczywiście, całym procesem tej budowy można sterować. Naukowcy też zwrócili uwagę, że w przypadku kryształków utworzonych z nanocząsteczek złota, które zanurzono w wodzie, w powstałej w ten sposób strukturze pozostaje sporo miejsca do wykorzystania. Złoto zajmuje tylko 5 proc. powstałego materiału, DNA kolejne 5. Pozostała część jest pusta (zajmuje ją woda) i właśnie ją można będzie zapełnić. Zdaniem uczonych, dodając do kryształów np. specjalnie przygotowane polimery, da się dodatkowo wpływać na rodzaj wznoszonej budowli. No i oczywiście niekoniecznie trzeba używać nanocząsteczek złota w kształcie kul - może to być srebro lub jeszcze inne metale uformowane w mikroskopijnej wielkości walce czy sześciany.
Ale po co to wszystko? "Kiedy już trochę poćwiczymy, będziemy mogli zbudować cokolwiek chcemy" - wyjaśnia Mirkin. A więc substancje, które w skali nano wykazują niezwykłe właściwości - silny magnetyzm, zdolność przyspieszania reakcji chemicznych czy specjalne właściwości optyczne. Dzięki temu w przyszłości mogą powstać nowe rodzaje baterii słonecznych czy laserów, wyjątkowo silne mikroskopy, a nawet materiały, które sprawią, że zakryte nimi przedmioty staną się niewidzialne!
"Kryształki, które stworzyliśmy, to zupełnie nowy rodzaj materii" - podsumowuje Mirkin.
p
Rozmowa z profesorem Antonim Ciszewskim, dyrektorem Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Wrocławskiego.
Anna Piotrowska: W opisywanych w "Nature" eksperymentach dokonano rzeczy niebywałej: wykorzystano DNA, a więc część materii ożywionej, do stworzenia kryształów złota, czyli materii nieożywionej.
Antoni Ciszewski: Tak. Za pomocą specjalnie zsekwencjonowanego DNA ułożono w odpowiedniej sieci krystalicznej nanocząsteczki złota.
Czy już wcześniej próbowano coś takiego robić?
Tylko teoretycznie przewidywano, że jest to możliwe. W 2002 roku Alexei V. Tkachenko z University of Michigan sugerował, że taki eksperyment byłby wykonalny, i nawet przedstawił jego schemat. Zgodnie z tym schematem nanocząsteczki pokryte dwoma komplementarnymi fragmentami DNA powinny równocześnie się przyciągać i delikatnie odpychać. Takie oddziaływanie pozwoliłoby ułożyć się tym cząsteczkom samoczynnie w strukturę krystaliczną. Nastepnie pasujące do siebie fragmenty DNA łaącząc się ze sobą utworzyłyby sieć wiązań utrwalających stworzoną wcześniej strukturę. W ten właśnie sposób powinien powstać kryształ zbudowany z nanodrobin.
Teraz nareszcie udało się to zrobić?
Dwa zespoły zrealizowały proces samoskładania się nanodrobin w trójwymiarowe kryształy. Ułożenie cząsteczek w tych strukturach może być różne, bo procesem ich powstawania można sterować.
Dlaczego uczeni chcieli zrobić kryształy w ten sposób?
Bo w naturze na ogół jeden rodzaj atomu lub molekuł tworzy jeden, czasem dwa rodzaje kryształów. A tutaj mamy sytuację, w której z tych samych elementów (nanocząsteczek złota) można tworzyć struktury krystaliczne różnych typów o parametrach zmieniających się w szerokim zakresie. Nanostruktury krystaliczne, które stworzyli właśnie Amerykanie, składają się z 5 procent złota oraz 5 procent DNA. Oznacza to, że 90 proc. ich struktury wypełnia woda. Wodę można usunąć, a powstałą w ten sposób matrycę wypełnić dowolnym materiałem. W ten sposób da się zrobić nowe, nieznane jeszcze kompozyty o właściwościach, które trudno przewidzieć.
Szykuje się przewrót w elektronice?
Na pewno. Przewiduje się, że powstaną nowe materiały pozwalające tworzyć niewidzialne pokrycia, coś w rodzaju peleryn niewidek. Ale to jest tylko jedna z możliwości ich wykorzystania. Na przykład w fotonice omawiane odkrycie powinno pozwolić na zbudowanie bardziej wydajnych paneli słonecznych, laserów i mikroskopów.