DNAプログラマブル組み立てによる革新的3Dナノ材料の創造

Columbia University, New York, NY

DNAプログラマブル結合で組み立てられた3Dナノ粒子の電子顕微鏡画像。（画像：Oleg Gang）

エンパイアステートビル建設時、その102階がミッドタウンに一片ずつ立ち上がり、各個別要素が組み合わさって40年間世界一高いビルとなりました。コロンビア大学のOleg Gang氏とその化学工学ラボは、アールデコ建築を建てているのではありません。彼らのランドマークは、ナノスケールのビルディングブロックが自己組織化することで作られる信じられないほど小さなデバイスです。

「我々は今、自己組織化ナノコンポーネントから複雑に規定された3D組織を構築できます。これはナノスケール版エンパイアステートビルのようなものです」と、Gang氏（Columbia Engineering化学工学教授、応用物理学・材料科学教授、Brookhaven National Laboratory Center for Functional Nanomaterials Soft and Bio Nanomaterials Groupリーダー）。

「設計による3Dナノスケール材料製造能力は、光操作からニューロモルフィックコンピューティング、触媒材料、生体分子スキャフォールドとリアクターまで、多くの新興アプリケーションにとって極めて重要です」とGang氏。

2本の論文、1つはNature Materials、もう1つはACS Nanoで、Gang氏と共同研究者たちはナノスケールDNAコンポーネントとナノ粒子のセットから所望の3D構造を自己組織化で作製する新方法論を説明し、他者が追随できる設計アルゴリズムを提供。すべては最も基本的な生体分子ビルディングブロック：DNAに基づいています。

マイクロエレクトロニクスの小スケール製造では、従来アプローチはトップダウン戦略に基づきます。一般的な手法はフォトリソグラフィで、強力な光と複雑なステンシルで回路をエッチングします。しかし主流リソグラフィ技術は複雑な3D構造に苦戦し、積層造形（3Dプリント）もまだナノスケール特徴を製造できません。ワークフローの観点では、両方法とも各特徴を一つずつシリアルに製造します。これは3Dオブジェクト構築にとって本質的に遅いプロセスです。

バイオシステムからヒントを得て、Gang氏はDNAによって導かれる自己組織化プロセスでボトムアップから3D材料とデバイスを構築します。他の科学者たちとのコラボレーションで手法を洗練し、例えば彼らの仕事に必要な超小型エレクトロニクスを構築してきました。

2ヶ月前、元学生Aaron Michelson氏（現Brookhaven National Laboratory Center for Functional Nanomaterialsスタッフサイエンティスト）とともに、ミネソタ大学の共同研究者たち向けに、マイクロチップ上に統合された3D光センサ作成に関心を持つ彼らへプロトタイプを提供。チップ上にDNAスキャフォールドを成長させ、感光材料でコーティングすることでセンサを構築しました。

そのデバイスはまだ最初の一つに過ぎません。Nature Materials最新論文で、Gang氏とチームはナノスケールDNAコンポーネントとナノ粒子のセットから所望の3D構造を作る逆設計戦略を確立。研究は『DNAオリガミ』アプローチの材料設計への4つ以上の応用を提示：一次元ストリングと二次元レイヤーで構成される結晶様構造；太陽電池で一般的な材料の模倣；らせん状に回転する別の結晶；応用物理学教授Nanfang Yu氏（Columbia Engineering）のために、光を特定の方法で反射する構造（光コンピュータ作成が目標）。

ColumbiaとBrookhaven National LaboratoriesでのシンクロトロンベースX線散乱と電子顕微鏡法など先進キャラクタリゼーション技術を用いて、チームは結果構造が設計と一致することを確認し、構造忠実度向上のための設計考慮事項を明らかにしました。これらのユニークな構造はそれぞれ、Gang氏のラボの水井戸で自己組織化しました。このタイプの材料形成は並列的性質を持ち、コンポーネントが組み立てプロセス中に集合するため、従来法と比較して3D製造で大幅な時間・コスト削減を実現。製造プロセスは水中で組み立てが起こるため環境にも優しいです。

「この組み立て方法論と、現在BNLで取り組んでいる液体ロボティクス自動化の組み合わせは、幅広いアプリケーション向け3Dナノ製造確立の新たな可能性を開きます」と、論文共同筆頭著者Brian Minevich氏（Gang研究室の元博士課程、現BNLポスドクフェロー）。

「これは多くの材料、多くの異なる特性（生物学的、光学的、電気的、磁気的）に適用可能なプラットフォームです」とGang氏。「最終結果は単純に設計に依存します。」

DNAは予測可能に折り畳まれます。それを構成する4つの核酸は特定の組み合わせでしかペアリングできないからです。しかし、望む構造が数百万、あるいは数十億ピースを含むとき、正しい開始配列をどう導き出すか？ Gang氏と共同研究者たちは逆構造設計アプローチでこの課題を解決。「大きな構造と欲しい機能がわかれば、それをより小さなコンポーネントに解剖し、所望構造を形成するために必要な構造的、結合的、機能的属性を持つビルディングブロックを作れます」とGang氏。

ビルディングブロックは、機械的に頑健な八面体形状に折り畳まれるDNAストランドで、Gang氏はこれをボクセルと呼び、各コーナーに各ボクセルをリンクするコネクタを持ちます。多くのボクセルをDNAエンコーディングで特定の反復3Dモチーフにリンクするよう設計可能 — ジグソーパズルピースが複雑な絵を形成するのと同様。反復モチーフはさらに並列的に組み立てられ、対象の階層的秩序構造を作ります。共同研究者Sanat Kumar氏（Columbia化学工学Michael Bykhovsky and Charo Gonzalez-Bykhovsky Professor）がGang氏の逆設計アプローチの計算検証を提供。

逆設計戦略を可能にするため、研究者たちは所望構造を形成するために必要な最小限のDNAベースナノスケール「ジグソーパズルピース」をどう設計するかを解明しなければなりません。「ファイル圧縮のようなものです。DNA自己組織化を最も効率的にするために情報量を最小化したい」と、筆頭著者Jason Kahn氏（BNLスタッフサイエンティスト、元Gangグループポスドク）。Mapping of Structurally Encoded Assembly、略称MOSESと名付けられたこのアルゴリズムは、ナノスケールCADソフトウェアのようなものだとGang氏。「任意に定義された3D階層秩序格子を作るためにどのDNAボクセルを使うかを教えてくれます。」

そこから、DNAボクセル内に多様なナノ「カーゴ」を追加し、最終構造に特定の特性を付与できます。例えば、金ナノ粒子を埋め込んでYu氏の実験で示されたように独自の光学的特性を付与。以前示されたように、無機・生物由来ナノコンポーネントの両方をこれらのDNAスキャフォールドに統合可能です。

デバイス組み立て後、チームはそれを「鉱物化」もしました。シリカでスキャフォールドをコーティングし、加熱してDNAを分解。元の有機スキャフォールドを高頑健な無機形態に効果的に変換しました。

Gang氏はKumar氏とYu氏とのコラボレーションを続け、複雑な構造の工学と組み立てを可能にする設計原理を探求し、人間の脳の複雑な接続性を模倣する3D回路など、さらに複雑な設計の実現を目指しています。

「我々はボトムアップ3Dナノ製造プラットフォームの確立へ順調に進んでいます。これはナノスケール次世代3Dプリントと見なせますが、現時点ではDNAベース自己組織化の力が大規模並列製造を可能にします」とGang氏。

詳細については、Oleg Gangまでお問い合わせください。