211service.com
Gör-det-själv Nanotech
Medan forskare redan har manipulerat atomer för att göra bokstäver tillräckligt små för att passa alla ord i Encyclopedia Britannica på huvudet av en nål, och har satt ihop rudimentära molekylära datorer och maskiner, förblir dessa bedrifter nyheter vars skapelse beror på svåra och dyra metoder.
Nu Paul Rothemund , en datavetare vid Caltech, med bakgrund i biologi, har utvecklat ett relativt billigt sätt att snabbt designa och bygga godtyckliga former och mönster med hjälp av DNA – och, säger han, det är tillräckligt enkelt för gymnasieelever att använda. Eftersom en mängd olika molekyler och nanopartiklar kan kopplas till DNA, kan denna teknik vara ett sätt att snabbt mönstra komponenter så olika som proteiner och halvledande nanorör, vilket möjligen kan leda till små elektroniska enheter eller enheter för att studera celler på en aldrig tidigare skådad detaljnivå.
[Klicka här för bilder av några av dessa egenmonterade DNA-former.]
Det är verkligen ett spektakulärt arbete. Jag är väldigt exalterad över det, säger William Shih , professor i biologisk kemi och molekylär farmakologi vid Harvard Medical School, som nu arbetar med att utöka Rothemunds teknik till att bygga tredimensionella strukturer. Rothemunds arbete, säger han, har tagit det lilla fältet av DNA-nanoteknik och öppnat det för att bli ett mainstream-verktyg genom att göra det en eller två storleksordningar billigare och lättare att göra.
Nadrian Seeman , New York University-kemist som banade väg för användningen av DNA för att konstruera komplexa former, säger: Genom att flytta uppåt i skala kan han producera mer invecklade och större mönster än vad som var praktiskt med tidigare tillvägagångssätt. Detta är ett spännande framsteg som sannolikt kommer att revolutionera mönsterbildning i denna skala.
I Rothemunds metod ormar en lång DNA-sträng fram och tillbaka tills den bildar en önskad form. Nyckeln till att få DNA:t att bildas på detta sätt, och att hålla det på plats, är korta häftklamrar av DNA med sekvenser valda för att fästa till specifika delar av den långa strängen. Rothemund delar upp den långa strängen i sektioner; då kan en häftklammer fästas vid sektionerna 86 och 112, till exempel, föra dem samman och få den långa strängen att vikas. Ett par hundra unika häftklamrar kan vika DNA:t till precis rätt form.
Ett datorprogram tar hand om att identifiera de sekvenser som häftklamrarna behöver ha. Jag designar [strukturen] jag vill ha på datorn, säger Rothemund. Den spottar ut en uppsättning av 250 DNA-sekvenser. Jag beställer dem; de kommer med posten i ett gäng små rör. Jag blandar dem tillsammans [tillsammans med den långa DNA-strängen], tillsätter lite salt, värmer upp det till kokning och kyler ner det till ungefär rumstemperatur, och sedan är det klart. När de har blandats samman, sätter DNA-strängarna ihop sig till den önskade strukturen.
Sådana självmonterande metoder kan användas för att göra vilken form eller mönster som helst som mäter 100 nanometer tvärs eller mindre, och med funktioner cirka 6 nanometer från varandra. I jämförelse är en röd blodkropp cirka 7 000 nanometer i diameter. En artikel som beskriver Rothemunds arbete som visas idag i tidskriften Natur visar teknikens mångsidighet med bilder av smileys, rutor, trianglar och stjärnor ( klicka här ). Men Rothemund kan också göra intrikata mönster på dessa former - till exempel har han ritat en karta i skala 1:200 biljoner över det västra halvklotet som kan passa in i en cell.
Att designa varje struktur tog ungefär en vecka, enligt Rothemund. Därefter monteras biljoner exemplar själv på bara några timmar – denna produktionshastighet är en av de egenskaper som gör självmontering så attraktiv.
Just nu är dock tekniken en lösning i jakten på problemet. Men Rothemund och andra, som Shih, förväntar sig att praktiska tillämpningar kommer snart, eftersom forskare lär sig hur lätt tekniken är och hittar sätt att tillämpa den på specifika problem. En möjlighet är att mönstra elektroniska enheter i mindre skala än vad som är möjligt med dagens optiska litografimetoder. Thomas LaBean , en kemist och datavetare vid Duke University, som har utvecklat en annan generell DNA-självmonteringsteknik som är lite svårare och har en lägre upplösning än Rothemunds, utvecklar enelektrontransistorer mönstrade med DNA som kan fungera som komponenter för en sådan anordning.
Det finns dock betydande utmaningar kvar innan fungerande enheter som använder denna metod dyker upp. Med självmontering finns det en inneboende felfrekvens, säger Harvards Shih. Till skillnad från dagens datorer, till exempel, kommer självmonterade datorer att behöva upptäcka och arbeta runt icke-fungerande komponenter. Dessutom kommer många applikationer att kräva större mönster än vad Rothemund har gjort hittills. En potentiell lösning på det problemet, som Rothemund redan har försökt med begränsad framgång, är att kombinera mindre former med hjälp av DNA-strängar, ungefär som celler går samman för att bygga en organism, förklarar han.
Även om den nya tekniken är överkomlig för labb, är den ännu inte tillräckligt billig för att tillverka bulkmaterial. Den självmontering som redan har demonstrerats kan dock vara praktisk för att bygga nanoarrayer som kan mäta det exakta innehållet i enskilda celler, säger Shih, vilket gör att biologer bättre kan lära sig de roller som spelas av enskilda celler, till exempel de i ett nervsystem.
Faktum är att den bästa applikationen kanske inte har tänkt på ännu. Jag känner mig inte avskräckt över att vi inte har hittat superkiller-applikationerna för detta än, säger Shih. Att kunna montera biljoner av molekylärt precisa enheter är något vi helt enkelt inte har kunnat göra. Och nu har vi plötsligt den här metoden där vi kan göra det, till ett överkomligt pris. Det är inte uppenbart vad dessa vinster kommer att bli, men vi känner alla att de är där.
Lloyd Smith , en kemist från University of Wisconsin, Madison, och författare till en kommentar om arbetet i Natur , skrev, Vi är nu kanske mer begränsade av vår fantasi än vår förmåga.