Menciptakan Nanomaterial 3D yang Inovatif Melalui Perakitan yang Dapat Diprogram DNA

Universitas Columbia, New York, NY

Gambar mikroskop elektron dari nanopartikel 3D yang dirakit menggunakan ikatan DNA yang dapat diprogram. (Gambar:Geng Oleg)

Ketika Empire State Building dibangun, 102 lantainya menjulang di tengah kota satu demi satu, dengan masing-masing elemen digabungkan menjadi, selama 40 tahun, gedung tertinggi di dunia. Di pusat kota Columbia, Oleg Gang dan laboratorium teknik kimianya tidak membangun arsitektur Art Deco; landmarknya adalah perangkat luar biasa kecil yang dibuat dari blok penyusun nanoskopik yang tersusun sendiri.

“Kami sekarang dapat membangun organisasi 3D yang ditentukan secara kompleks dari komponen nano yang dirakit sendiri, semacam versi skala nano dari Empire State Building,” kata Gang, Profesor Teknik Kimia dan Fisika Terapan dan Ilmu Material di Columbia Engineering dan pemimpin Grup Soft dan Bio Nanomaterials dari Center for Functional Nanomaterials di Brookhaven National Laboratory.

“Kemampuan untuk memproduksi material skala nano 3D berdasarkan desain sangat penting untuk banyak aplikasi baru, mulai dari manipulasi cahaya hingga komputasi neuromorfik, dan dari material katalitik hingga perancah biomolekuler dan reaktor,” kata Gang.

Dalam dua makalah, satu dirilis di Nature Materials dan yang kedua di ACS Nano , Gang dan rekan-rekannya menjelaskan metodologi baru untuk membuat struktur skala nano 3D yang ditargetkan melalui perakitan mandiri yang dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, dan mereka menyediakan algoritma desain untuk diikuti oleh orang lain. Dan semuanya didasarkan pada bahan penyusun biomolekuler paling dasar:DNA.

Dalam hal fabrikasi mikroelektronika skala kecil, pendekatan konvensional didasarkan pada strategi top-down. Salah satu pendekatan yang umum adalah fotolitografi, yang menggunakan cahaya kuat dan stensil rumit untuk mengetsa sirkuit. Namun teknik litograf arus utama kesulitan menghadapi struktur tiga dimensi yang kompleks, sementara manufaktur aditif, yang lebih dikenal sebagai pencetakan 3D, belum dapat membuat fitur pada skala nano. Dalam hal alur kerja, kedua metode membuat setiap fitur satu per satu, secara serial. Ini pada dasarnya adalah proses yang lambat untuk membuat objek 3D.

Mengambil petunjuk dari biosistem, Gang membangun material dan perangkat 3D dari bawah ke atas melalui proses perakitan mandiri yang diarahkan oleh DNA. Dia telah menyempurnakan metodenya melalui kolaborasi dengan ilmuwan lain untuk membuat, misalnya, perangkat elektronik berukuran sangat kecil yang mereka perlukan untuk pekerjaan mereka.

Dua bulan lalu, dia dan mantan muridnya, Aaron Michelson, yang sekarang menjadi staf ilmuwan di Pusat Nanomaterial Fungsional Laboratorium Nasional Brookhaven, menyampaikan prototipe untuk kolaborator di Universitas Minnesota yang tertarik untuk membuat sensor cahaya 3D yang terintegrasi ke dalam microchip. Mereka membuat sensor dengan menumbuhkan perancah DNA pada sebuah chip dan kemudian melapisinya dengan bahan peka cahaya.

Perangkat itu hanyalah yang pertama dari sekian banyak perangkat lainnya. Dalam makalah terbaru mereka di Bahan Alam , Gang dan timnya menetapkan strategi desain terbalik untuk menciptakan struktur 3D yang diinginkan dari sekumpulan komponen DNA skala nano dan partikel nano. Studi ini menyajikan empat penerapan pendekatan 'origami DNA' mereka pada desain material:struktur seperti kristal yang terdiri dari string satu dimensi dan lapisan dua dimensi; meniru bahan yang biasa ditemukan pada panel surya; kristal lain yang berputar dalam pusaran heliks; dan, untuk kolaborator Nanfang Yu, Profesor Fisika Terapan di Columbia Engineering, sebuah struktur yang akan memantulkan cahaya dengan cara tertentu untuk tujuannya menciptakan komputer optik.

Dengan menggunakan teknik karakterisasi tingkat lanjut, seperti metode hamburan sinar-X berbasis sinkrotron dan mikroskop elektron, di Laboratorium Nasional Columbia dan Brookhaven, tim memastikan bahwa struktur yang dihasilkan sesuai dengan desain mereka dan mengungkapkan pertimbangan yang dirancang untuk meningkatkan kesetiaan struktur. Masing-masing struktur unik ini dirakit di sumur air di laboratorium Gang. Jenis pembentukan material ini sifatnya paralel karena komponen-komponennya menyatu selama proses perakitan, sehingga menghemat waktu dan biaya secara signifikan untuk fabrikasi 3D dibandingkan dengan metode tradisional. Proses fabrikasinya juga ramah lingkungan karena perakitannya dilakukan di dalam air.

“Metodologi perakitan ini, ditambah dengan otomatisasi robotika cair yang saat ini saya kerjakan di BNL, membuka kemungkinan baru untuk membangun manufaktur nano 3D untuk berbagai aplikasi”, kata Brian Minevich, salah satu penulis makalah tersebut, yang merupakan seorang Ph.D. mahasiswa di lab Gang dan sekarang menjadi mahasiswa pascadoktoral di BNL.

“Ini adalah platform yang dapat diterapkan pada banyak material dengan berbagai sifat berbeda:biologis, optik, listrik, magnet,” kata Gang. Hasil akhirnya tergantung pada desainnya.

DNA terlipat dapat diprediksi, karena empat asam nukleat yang menyusunnya hanya dapat berpasangan dalam kombinasi tertentu. Namun jika struktur yang diinginkan berisi jutaan, bahkan miliaran keping, bagaimana Anda mendapatkan urutan awal yang benar? Gang dan rekan-rekannya memecahkan tantangan ini dengan pendekatan desain struktur terbalik. “Jika kita mengetahui struktur besar dengan fungsi yang ingin kita buat, kita dapat membedahnya menjadi komponen-komponen yang lebih kecil untuk membuat blok bangunan kita dengan atribut struktural, mengikat, dan fungsional yang diperlukan untuk membentuk struktur yang diinginkan,” kata Gang.

Bahan penyusunnya adalah untaian DNA yang terlipat menjadi bentuk oktahedral yang kuat secara mekanis, yang disebut Gang sebagai voxel, dengan konektor di setiap sudut yang menghubungkan setiap voxel menjadi satu. Banyak voxel yang dapat dirancang untuk dihubungkan menjadi motif 3D berulang tertentu menggunakan pengkodean DNA, mirip dengan bagaimana potongan puzzle membentuk gambar yang kompleks. Motif-motif yang berulang-ulang, pada gilirannya, juga dirangkai secara paralel untuk menciptakan struktur yang terorganisir secara hierarkis. Kolaborator Sanat Kumar, Profesor Teknik Kimia Michael Bykhovsky dan Charo Gonzalez-Bykhovsky di Columbia, memberikan verifikasi komputasi atas pendekatan desain terbalik Gang.

Untuk mengaktifkan strategi desain terbalik, para peneliti harus memikirkan cara merancang 'potongan puzzle' skala nano berbasis DNA ini dengan jumlah minimal yang diperlukan untuk membentuk struktur yang diinginkan. "Anda dapat menganggapnya seperti mengompresi file. Kami ingin meminimalkan jumlah informasi agar perakitan mandiri DNA menjadi paling efisien," kata penulis pertama Jason Kahn, staf ilmuwan di BNL dan sebelumnya merupakan postdoc di grup Gang. Dijuluki Mapping of Structurally Encoded Majelis, atau MOSES, algoritma ini seperti perangkat lunak CAD skala nano, tambah Gang. “Ini akan memberi tahu Anda voxel DNA apa yang akan digunakan untuk membuat kisi 3D yang terurut secara hierarkis dan ditentukan secara sewenang-wenang.”

Dari sana, Anda dapat menambahkan beragam jenis nano-'kargo' di dalam voxel DNA yang akan memberi sifat tertentu pada struktur akhir. Misalnya, nanopartikel emas ditanamkan untuk memberikan sifat optik yang unik, seperti yang ditunjukkan dalam eksperimen Yu. Namun, seperti yang ditunjukkan sebelumnya, komponen nano anorganik dan turunan hayati dapat diintegrasikan ke dalam perancah DNA ini.

Setelah perangkat dirakit, tim juga ‘memineralisasinya’. Mereka melapisi perancah dengan silika dan kemudian memaparkannya pada panas untuk menguraikan DNA, sehingga secara efektif mengubah perancah organik asli menjadi bentuk anorganik yang sangat kuat.

Gang terus berkolaborasi dengan Kumar dan Yu untuk mengungkap prinsip desain yang memungkinkan rekayasa dan perakitan struktur kompleks, dengan harapan dapat mewujudkan desain yang lebih rumit, termasuk sirkuit 3D yang dimaksudkan untuk meniru konektivitas kompleks otak manusia.

"Kami sedang dalam perjalanan untuk membangun platform manufaktur nano 3D dari bawah ke atas. Kami melihat ini sebagai pencetakan 3D generasi berikutnya pada skala nano, namun untuk saat ini kekuatan perakitan mandiri berbasis DNA memungkinkan kami membangun fabrikasi paralel secara besar-besaran," kata Gang.

Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Oleg Gang di Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya..