DNA プログラム可能なアセンブリによる革新的な 3D ナノマテリアルの作成

コロンビア大学、ニューヨーク州ニューヨーク

DNA プログラム可能な結合を使用して組み立てられた 3D ナノ粒子の電子顕微鏡画像。 (画像:オレグ・ギャング)

エンパイア ステート ビルディングが建設されたとき、その 102 階建ての建物は一度にミッドタウンの上にそびえ立ち、それぞれの要素が組み合わさって 40 年間、世界で最も高いビルとなりました。コロンビアのアップタウンにあるオレグ・ギャングと彼の化学工学研究室は、アールデコ建築を建てているわけではありません。彼らのランドマークは、ナノスケールの構成要素から構築された信じられないほど小さな装置であり、それ自体が配置されます。

「エンパイア ステート ビルディングの一種のナノスケール バージョンである、自己集合ナノコンポーネントから複雑に規定された 3D 組織を構築できるようになりました」と、コロンビア エンジニアリングの化学工学および応用物理学および材料科学の教授であり、ブルックヘブン国立研究所の機能性ナノマテリアル センターのソフトおよびバイオ ナノマテリアル グループのリーダーであるギャング氏は述べています。

「設計に従って 3D ナノスケール材料を製造する機能は、光操作からニューロモーフィック コンピューティング、触媒材料から生体分子の足場やリアクターに至るまで、多くの新興アプリケーションにとって重要です」と、Gang 氏は述べています。

2 つの論文で、1 つは Nature Materials で発表されました。 もう 1 つは ACS Nano です。 、Gang と彼の同僚は、さまざまな用途に使用できる自己組織化を介して標的の 3D ナノスケール構造を製造するための新しい方法論について説明しており、他の人が追随するための設計アルゴリズムを提供しています。そして、それらはすべて、最も基本的な生体分子の構成要素である DNA に基づいています。

マイクロエレクトロニクスの小規模製造に関しては、従来のアプローチはトップダウン戦略に基づいています。一般的なアプローチの 1 つは、強力な光と複雑なステンシルを使用して回路をエッチングするフォトリソグラフィーです。しかし、主流のリソグラフィー技術は複雑な 3 次元構造に苦戦している一方、3D プリンティングとして知られる積層造形ではまだナノスケールでフィーチャーを製造することができません。ワークフローの観点から見ると、どちらの方法でも各フィーチャを 1 つずつ順番に製造します。これは、3D オブジェクトを構築するための本質的に時間がかかるプロセスです。

ギャングは、バイオシステムからヒントを得て、DNA によって指示される自己組織化プロセスを介して 3D マテリアルとデバイスをボトムアップで構築します。彼は、他の科学者との協力を通じて自分の手法を改良し、たとえば、研究に必要な非常に小さな電子機器を構築してきました。

2か月前、彼と彼の元教え子で現在ブルックヘブン国立研究所機能性ナノマテリアルセンターのスタッフサイエンティストであるアーロン・マイケルソンは、マイクロチップ上に統合された3D光センサーの作成に関心を持つミネソタ大学の共同研究者にプロトタイプを納品した。彼らは、チップ上で DNA 足場を成長させ、感光材料でコーティングすることによってセンサーを構築しました。

このデバイスは多くのデバイスのうちの最初のものにすぎませんでした。 Nature Materials の最新の論文で , Gang と彼のチームは、一連のナノスケール DNA コンポーネントとナノ粒子から目的の 3D 構造を作成するための逆設計戦略を確立します。この研究では、材料設計に対する彼らの「DNA 折り紙」アプローチのさらに 4 つの応用例が示されています。ソーラーパネルで一般的に見られる材料を模倣したもの。らせん状の渦巻きの中で回転する別の結晶。また、共同研究者のコロンビア エンジニアリング応用物理学教授 Nanfang Yu 氏には、光コンピュータを作成するという彼の目標に向けて、特定の方法で光を反射する構造物を提供しました。

チームは、コロンビア国立研究所とブルックヘブン国立研究所で、シンクロトロンベースのX線散乱法や電子顕微鏡法などの高度な特性評価技術を使用して、得られた構造が設計と一致していることを確認し、構造の忠実度を向上させるための設計上の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、ギャングの研究室の井戸の中で組み立てられました。このタイプの材料形成は、組み立てプロセス中にコンポーネントが結合されるため、本質的に並行して行われます。これは、従来の方法と比較して 3D 製造の時間とコストを大幅に節約することを意味します。組み立ては水中で行われるため、製造プロセスも環境に優しいです。

この論文の共同筆頭著者で博士号を取得したブライアン・ミネヴィッチ氏は、「この組立方法論と、私が現在BNLで取り組んでいる液体ロボット工学の自動化とを組み合わせることで、幅広い用途向けの3Dナノ製造を確立する新たな可能性が開かれる」と述べた。ギャングの研究室の学生で、現在は BNL の博士研究員です。

「これは、生物学的、光学的、電気的、磁気的など、さまざまな特性を持つ多くの材料に適用できるプラットフォームです」とギャング氏は述べています。最終結果はデザインによって決まります。

DNA を構成する 4 つの核酸は特定の組み合わせでのみ対形成できるため、DNA は予測どおりに折りたたまれます。しかし、目的の構造に数十億ではないにしても数百万の部分が含まれている場合、正しい開始順序をどのように考え出すのでしょうか? Gang と彼の同僚は、逆構造設計アプローチを使用してこの課題を解決しました。 「作成したい機能を備えた大きな構造がわかっていれば、それを小さなコンポーネントに分解して、目的の構造を形成するために必要な構造、結合、機能の属性を備えたビルディング ブロックを作成できます。」と、Gang 氏は述べています。

構成要素は、機械的に堅牢な八面体形状に折り畳まれる DNA 鎖であり、ギャング氏はこれをボクセルと呼び、各隅に各ボクセルを連結するコネクターが付いています。ジグソーパズルのピースが複雑な絵を形成するのと同じように、DNA エンコーディングを使用して、多くのボクセルを特定の反復的な 3D モチーフにリンクするように設計できます。反復的なモチーフも並行して組み立てられ、目的の階層的に組織された構造が作成されます。共同研究者であるマイケル・ビホフスキー教授とチャロ・ゴンザレス・ビホフスキー教授であるコロンビア大学化学工学教授のサナト・クマール氏は、ギャングの逆設計アプローチの計算による検証を提供しました。

逆設計戦略を可能にするために、研究者は、目的の構造を形成するために必要な最小限の数で、これらの DNA ベースのナノスケールの「ジグソーパズルのピース」を設計する方法を見つけ出す必要があります。 「これはファイルを圧縮するようなものだと考えることができます。DNA の自己集合を最も効率的に行うためには、情報量を最小限に抑えたいと考えています」と、BNL のスタッフサイエンティストであり、以前はギャングのグループの博士研究員だった筆頭著者のジェイソン・カーン氏は述べた。 「構造的にエンコードされたアセンブリのマッピング (MOSES)」と呼ばれるこのアルゴリズムは、ナノスケールの CAD ソフトウェアに似ている、とギャング氏は付け加えた。 「特定の任意に定義された 3D 階層的に順序付けられた格子を作成するためにどの DNA ボクセルを使用すればよいかがわかります。」

そこから、DNA ボクセル内にさまざまな種類のナノ「カーゴ」を追加して、最終構造に特定の特性を与えることができます。たとえば、Yu 氏の実験で実証されたように、金ナノ粒子は独特の光学特性を与えるために埋め込まれていました。しかし、前に示したように、無機ナノコンポーネントと生物由来のナノコンポーネントの両方をこれらの DNA 足場に組み込むことができます。

デバイスが組み立てられると、チームはそれを「石化」しました。彼らは足場をシリカでコーティングし、熱にさらして DNA を分解し、元の有機足場を効果的に非常に堅牢な無機形態に変換しました。

Gang は、複雑な構造のエンジニアリングと組み立てを可能にする設計原則を明らかにするために Kumar および Yu と協力し続け、人間の脳の複雑な接続を模倣することを目的とした 3D 回路など、さらに複雑な設計を実現したいと考えています。

「私たちはボトムアップの 3D ナノ製造プラットフォームの確立に向けて順調に進んでいます。私たちはこれをナノスケールの次世代 3D プリンティングと見ていますが、今のところ DNA ベースの自己組織化の力により、大規模な並行製造を確立することができます。」

詳細については、Oleg Gang までお問い合わせください。このメール アドレスはスパムボットから保護されています。表示するには JavaScript を有効にする必要があります。