工程师以精确的定向达到数千个纳米级分子器件

花由分子装置制成

研究人员将3000多个发光的月亮形状的纳米分子设备放入一个花状的仪器中,以指示光的偏振。12片花瓣上的“月亮”分别指向不同的方向,只有在受到与其方向相匹配的偏振光照射时才会发光。最终的结果是一朵花,它的花瓣随着光线的偏振旋转而依次发光。这种花的跨度比人类头发的宽度还小,它证明了数千个分子可以可靠地在芯片表面定向。信贷:Ashwin Gopinath /加州理工学院

概念验证项目为分子与计算机芯片的集成铺平了道路。

工程师开发了一种技术,使它们能够精确地放置由折叠形成的显微​​镜装置脱氧核糖核酸分子不仅是特定位置,而且还具有特定的定位。

作为一个概念验证,他们将3000多个发光的月亮形状的纳米分子装置放入一个花状的仪器中,用来指示光的偏振。每12片花瓣都围绕着花的中心指向不同的方向,在每片花瓣内部大约有250个月亮排列在花瓣的方向上。因为每个月亮只有在受到与其方位相匹配的偏振光照射时才会发光,所以最终的结果是,当光线的偏振光旋转时,一朵花瓣就会依次发光。这种花的跨度比人类头发的宽度还小,它证明了数千个分子可以可靠地在芯片表面定向。

这种精确放置和定向基于DNA的分子装置的方法可以使得可以使用这些分子装置来电力新型芯片,该芯片将分子生物传感器与光学和电子器件整合,用于DNA测序或测量成千上万的蛋白质的浓度一次。

该研究于2021年2月19日发表在《华尔街日报》上科学,由CALTECH的Paul Rothemund(BS'94),生物工程,计算和数学科学研究教授以及计算和神经系统以及他的同事们建立了15多年的工作。2006年,Rothemund显示DNA可以通过被称为DNA折纸的技术折叠成精确的形状。2009年,IBM Research Almaden的Rothemund及其同事描述了一种技术,DNA折纸可以定位在表面上的精确位置。为此,它们使用基于电子束的印刷过程,并创建具有与折纸的相同尺寸和形状的“粘性”贴片。特别是,它们表明折纸三角形在三角形粘性斑块的位置精确地绑定。

接下来,Rothemund和Ashwin Gopinath,以前是一个Caltech高级博士后学者,现在是一位助理教授麻省理工学院,精制和扩展该技术以证明由DNA折纸构成的分子装置可以可靠地集成到较大的光学器件中。“技术障碍是如何将大量的分子器件可重复地将大量的分子装置组织成用于芯片的材料种类的正确模式,”Rothemund说。

繁星之夜发光

这幅《星夜》的发光复制品包含65,536个像素,宽度相当于一角硬币。信贷:Ashwin Gopinath /加州理工学院

2016年,Rothemund和Gopinath表明,携带荧光分子的三角折纸可用于繁殖Vincent van Gogh的65,000像素版本在繁星闪烁的夜晚,。在这项研究中,三角DNA折纸被用来在细菌大小的光学谐振器中定位荧光分子;荧光分子的精确位置至关重要,因为只要向左或向右移动100纳米,像素就会变暗或变亮5倍以上。

但这项技术有一个致命的弱点:“因为这些三角形是等边的,可以自由旋转和上下翻转,它们可以以六种不同方式中的任何一种平贴在表面的三角形粘块上。这意味着我们不能使用任何需要特定方向才能运行的设备。我们一直被那些无论朝上、朝下还是朝任何方向都能正常工作的设备所困扰。”用于DNA测序或蛋白质测量的分子设备必须正面朝上,所以该团队的旧技术会破坏50%的设备。对于同样需要独特旋转方向的器件,比如晶体管,只有16%的器件能够工作。

然后,解决的第一个问题是让DNA折纸可靠地用正确的侧面落下。“有点像保证吐司总是在地板上扔在地板上时占据着黄油,”罗斯蒙德说。对于研究人员来说,涂鸦折纸与一侧的柔性DNA股线的地毯使其能够超过95%的地面落下。但控制旋转的问题仍然存在。具有三个不同边缘长度的右三角形是研究人员的首次尝试,该形状可能降落在优选的旋转中。

然而,在摔跤后,只需40%的正确三角形,以正确的定位点,加热养殖者招募了计算机科学家克里斯·塔奇华盛顿大学他是《科学他曾是加州理工学院的博士后;以及不列颠哥伦比亚大学的大卫·柯克帕特里克(David Kirkpatrick)科学纸。他们的工作是找到一个只会在预定的方向上卡住的形状,不管它会以什么方向降落。计算机科学家们的解决方案是一个带有偏离中心孔的磁盘,研究人员称之为“小月亮”。数学证明表明,小卫星不像直角三角形,它们可以平滑地旋转,以找到与其粘性区域的最佳对齐,而不会被卡住。实验室实验证实,超过98%的小卫星在粘斑上找到了正确的方向。

然后,该团队将自己的特殊荧光分子添加到小卫星的DNA螺旋中,垂直于螺旋的轴线。这确保了月球内的荧光分子以相同的方向定向,并且在用特定极化的光刺激时会发出最亮。“就好像每个分子都带有一点天线,只有在光的偏振与天线的取向匹配时,才能最有效地接受能量,”Gopinath说。这种简单的效果是使偏振敏感花的构造成为原因。

对于用于控制DNA折纸的上下旋转和旋转取向的鲁棒方法,现在可以廉价地集成到高产率的计算机芯片中,以获得各种潜在的应用。例如,Rothemund和Gopinath已经创立了一家公司PalameRix,将该技术商业化,用于建立半导体芯片的技术,该技术能够同时研究与人类健康相关的所有蛋白质。CALTECH已提起工作的专利申请。

参考:《单分子形状的绝对和任意取向》作者:Ashwin Gopinath, Chris Thachuk, Anya Mitskovets, Harry A. Atwater, David Kirkpatrick and Paul W. K. Rothemund, 2021年2月19日科学
DOI:10.1126 / science.abd6179
CALTECHAUTHORS:20181029-101527551

本文标题为“单分子形状的绝对和任意取向”。CALTECH的共同作者包括哈里·哈尔斯,霍华德休斯豪押,霍华德应用物理和材料科学教授,以及前研究生Anna Mitskovets(PHD '20)。这项工作得到了海军研究办公室,科学研究,国家科学基金会,ORR家族基金会,Abedin Institute和博士博士后奖学金的支持。

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