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Programación de materiales avanzados
En 1996, científicos de IBM y la Universidad Northwestern utilizaron ADN monocatenario como si fuera Velcro molecular para programar el autoensamblaje de nanopartículas en estructuras simples. El trabajo ayudó a lanzar el campo de la nanotecnología entonces incipiente al sugerir la posibilidad de construir materiales novedosos de abajo hacia arriba. Doce años después, investigadores del Laboratorio Nacional de Northwestern y Brookhaven informan por separado en la revista Naturaleza que finalmente han cumplido esa promesa, utilizando enlazadores de ADN para transformar nanopartículas en cristales perfectos que contienen hasta un millón de partículas.
Nano orden ordenada: Las secuencias de ADN adheridas a las nanopartículas de oro (imagen superior) programan el autoensamblaje de las partículas en cristales novedosos (imagen inferior). La difracción de rayos X confirma que los cristales, parcialmente aplastados por la microscopía electrónica que produjo estas imágenes, son redes perfectas de decenas de miles de partículas.
Las estructuras de cristal están diseñadas deliberadamente, dice Northwestern Chad Mirkin , uno de los científicos de materiales que fue pionero en la vinculación de ADN en la década de 1990 y coautor de uno de los informes de hoy. Esta es una nueva forma de hacer las cosas.
El físico de la Universidad Estatal de Ohio David Stroud considera que el trabajo es bastante valioso. Él predice que el avance permitirá el ensamblaje de nuevos materiales con propiedades ópticas, electrónicas o magnéticas novedosas que, hasta ahora, solo existían en las mentes y modelos de los científicos de materiales. Incluso ahora me sorprende que pudieran hacerlo, dice Stroud.
Hasta la fecha, los esfuerzos en el autoensamblaje programado de nanopartículas en tres dimensiones han producido en su mayoría grupos desordenados. Estos grupos pueden tener valor; de hecho, la empresa emergente de Mirkin, NanoSphere, ha utilizado la tecnología para desarrollar diagnósticos médicos que han obtenido la aprobación de la Administración de Alimentos y Medicamentos.
Pero los materiales más complejos y exóticos imaginados por Stroud y otros requieren estructuras ordenadas. El problema, dice Stroud, es que las nanopartículas son inmensas en relación con los átomos que forman la mayoría de los cristales. Como resultado, las nanopartículas se mueven relativamente lentamente, especialmente con cadenas de ADN adheridas. Cuando se enfrían para permitir que las hebras complementarias de ADN se unan, las nanopartículas tienden a congelarse en una disposición desordenada antes de que puedan encontrar su camino hacia la red ordenada de un cristal.
Los autores de los nuevos informes: un equipo en Northwestern dirigido por Mirkin y el químico George Schatz, y el equipo del físico Oleg Gang en Centro de materiales funcionales del Laboratorio Nacional Brookhaven , en Upton, NY, superó la lentitud de las partículas mediante el uso de cadenas de ADN más largas que dan a las partículas más flexibilidad durante la formación de cristales. Por lo general, pensamos que la cristalinidad requiere estructuras muy rígidas, por lo que uno podría imaginar que es necesario tener una capa de ADN muy rígida en las partículas para tener buenos cristales, dice Gang. En realidad, es todo lo contrario.
Si bien los detalles de los sistemas Northwestern y Brookhaven difieren, ambos rellenan sus cadenas de ADN con secuencias que actúan como espaciadores y flexores, además de secuencias complementarias en los extremos del ADN que unen las partículas. Los grupos comienzan uniendo uno de los dos tipos de ADN a nanopartículas de oro. Los tipos de ADN son complementarios entre sí. Estos dos grupos de partículas modificadas se mezclan y enfrían luego. Las hebras de ADN con ADN complementario forman una doble hélice, uniendo sus respectivas nanopartículas, mientras que las hebras de ADN idénticas actúan como resortes para repeler sus respectivas partículas. Mientras tanto, los espaciadores en cada hebra de ADN permiten que las partículas unidas se retuerzan y se doblen para que cada partícula de la mezcla pueda unir la mayor cantidad de partículas complementarias.
El resultado es exactamente lo que predice la teoría: una red cristalina en la que cada partícula de un tipo está rodeada por ocho de las otras que marcan las esquinas de un cubo. El grupo de Mirkin demostró además que ajustar la temperatura y las secuencias de ADN podría empujar la misma mezcla de partículas para formar una estructura cristalina distinta en la que cada partícula tiene 12 vecinos.
Mirkin dice que él y su equipo recién están comenzando. Para mí, en realidad es solo el comienzo y no el final, dice. Durante los últimos tres años, el grupo de Mirkin ha estado demostrando métodos para colocar diferentes enlazadores de ADN en diferentes caras de partículas no esféricas, como prismas de caras triangulares y partículas de virus. Eso, dice, debería permitir la programación de materiales más complejos con patrones repetidos de tres o más componentes. La posibilidad realmente intrigante aquí es la capacidad de programar la formación de ningún estructura que desee, dice Mirkin.
Stroud dice que las estructuras ya producidas serán útiles ya que el ensamblaje programado por ADN se extiende a partículas distintas del oro. Las aplicaciones podrían incluir cristales fotónicos, en los que la periodicidad precisa de las partículas puede sintonizar los materiales en general para manipular longitudes de onda específicas de luz, y energía fotovoltaica que captura un rango más amplio del espectro solar.
Las estructuras son altamente porosas: 10 por ciento de partículas y ADN y 90 por ciento de agua. Eso podría dificultar las aplicaciones en las que el agua no es deseable. Drene el agua y los cristales colapsarán. Gang dice que uno podría estabilizar los cristales llenando la celosía con un polímero, pero también está explorando esquemas de estabilización alternativos que preservarían el espacio abierto de la celosía.