ДНК станет основой беспрецедентно сложных синтетических кристаллов

Физики использовали наночастицы золота и «умный клей» ДНК для создания коллоидного аналога так называемого решетчатого клатрата. Полученные кристаллы интересны сами по себе своей впечатляющей сложностью структуры, потенциально их можно использовать для защиты окружающей среды от загрязнений и в медицине для распознавания вирусов. Описание работы опубликовано в журнале Science.

Клатрат — соединение, в котором молекулы одного сорта («гости») заключены в полости, образованные молекулами другого сорта («хозяевами»). Важный пример решетчатого клатрата — гидрат метана, в котором молекулы метана заключены в пустоты кристаллической решетки льда. Это соединение широко распространено в природе; запасы метана на дне океанов, вероятно, значительно превышают запасы газа в свободном состоянии. Если клатратная структура способна «поглотить» достаточно крупные органические молекулы, ее можно применить в средствах защиты окружающей среды — например, для сбора загрязняющих веществ.

Создание клатратов из наночастиц — сложная задача, поскольку получение правильной кристаллической структуры зависит от точного размера и формы наночастиц, которые довольно сложно контролировать. В новой работе исследователи создали компьютерную модель и продемонстрировали в лабораторных условиях процесс создания точной клатратной структуры беспрецендентной сложности на основе наночастиц золота и «клея» из цепочек ДНК.

Группа ученых Северо-Западного Университета США уже около десяти лет изучает возможности синтетических ДНК по связыванию наночастиц в программируемые конструкции. Для нового эксперимента они синтезировали бипирамидальные наночастицы золота, состоящие из двух тетраэдров, соединенных общей гранью; размеры сторон наночастицы — 250 и 177 нанометров. После очистки центрифугированием и промывания буферным соляным раствором полученные частицы соединили с модифицированными цепочками ДНК различной длины.

Опыты показали, что достаточно длинные цепочки ДНК обеспечивают создание кристаллической структуры высокого качества: так, при использовании ДНК с 4-блочными сегментами наблюдалась четкая клатратная структура, снимки которой можно получить с помощью электронной микроскопии, однако, размеры структуры получались сравнительно небольшими. Кристаллы самого высокого качества получились при использовании ДНК с 5-блочными сегментами: в этом случае полученные кристаллы клатрата достигали в размере десятков микрометров.

Компьютерная симуляция процесса показала формирование кластерных типов образованных кристаллических решеток в виде звездчатых многогранников: додекаэдра, икосаэдра, икосододекаэдра, которые соотносятся с известными типами клатратных решеток.

По словам ученых, полученные клатратные структуры могут найти применение в системах защиты окружающей среды, а также в медицине: например, их можно использовать для распознавания вирусов и белков. Кроме того, поскольку размеры используемых в клатратах наночастиц сравнимы с длиной волны видимого света, сложные клатратные структуры могут оказаться полезными в свето-контролируемых устройствах, таких как линзы, лазеры и маскировочные материалы.

Надежда Бессонова