Кристаллы из золота и ДНК восстановились после деформации

Химики из США модифицировали наночастицы золота гибкими фрагментами одноцепочечной ДНК, и из раствора наночастиц выпали кристаллы. Оказалось, что они быстро деформируются на воздухе, но при добавлении воды легко восстанавливают свою структуру и форму. Исследование опубликовано в Nature.

Слово «кристалл» в первую очередь ассоциируется с чем-то твердым и хрупким. И действительно, большинство кристаллических веществ не так просто деформировать: скорее кристалл расколется, чем погнется. Причем это верно и для ионных кристаллов, у которых узлы кристаллической решетки занимают ионы, и для молекулярных кристаллов, у которых в узлах находятся целые молекулы.

Тем не менее химики умеют получать кристаллы, которые легко деформировать. Обычно они построены из молекул с гибкой структурой и большим количеством невалентных связей (например, из цепей ДНК). Такие кристаллы разбить не получится — они вязкие и эластичные. А чтобы получить из деформированного объекта исходный кристалл, нужно заново провести кристаллизацию.

Но химики под руководством Чада Миркина (Chad Mirkin) из Северо-Западного университета наткнулись на кристаллы, способные возвращаться к исходной форме после деформации. Они смешали наночастицы золота с фрагментами одноцепочечной ДНК (каждая цепь — 18 связанных нуклеотидов с общей длинной около 6 нанометров) в водном буферном растворе, который затем нагрели до 65 градусов Цельсия. Причем цепи изначально модифицировали так, чтобы концы половины цепей были комплементарны концам другой половины и могли прочно связываться в кристалле.

Полученные раствор медленно охладили до комнатной температуры, и в результате образовались кристаллы. Впоследствии химики использовали наночастицы разного размера (5 и 10 нанометров) и разную скорость охлаждения, чтобы получить больше образцов для исследования.

За полученными кристаллами ученые наблюдали в оптический микроскоп и вскоре обнаружили, что при испарении воды кристаллы деформировались и полностью теряли свою форму. Но когда химики накапали воды на предметное стекло с деформированными образованиями, они за несколько секунд возвратились к исходной кристаллической форме. Причем даже через 6 циклов деформирования-восстановления процесс продолжал происходить.

По мнению химиков, при высушивании деформация происходила из-за того, что водородные связи с молекулами воды внутри кристалла разрушались. Но несмотря на это комплементарные цепи ДНК все равно оставались достаточно близко друг к другу, чтобы исходная структура восстанавливалась при добавлении воды.

Чтобы подробнее изучить процесс деформации, химики исследовали их кристаллы с помощью рентгеноструктурного анализа. Они выяснили, что при частичном испарении воды кристаллическая структура действительно теряется — пики на дифракционной картине становятся неупорядоченными. А при полном испарении воды материал вообще становится аморфным. Но при добавке воды дифракционная картина возвращается к своему первоначальному виду.

Так химики показали, что некоторые кристаллические материалы на основе ДНК могут проявлять эффект памяти формы. И чтобы кристаллы могли восстанавливаться после деформации, они должны быть построены из гибких молекулярных структур.

С помощью лазера на некоторых кристаллах можно вырезать изображения. О том, как химики вырезали на сокристалле букву «М», знак мира, кубок Стэнли и изображение птицы с геоглифа Наски, мы недавно рассказывали. А о том, с какими проблемами последнее время сталкивается кристаллохимия как наука, можно прочитать в нашем материале «Деплатформинг структур».