На иллюстрации показано, как капли с разными цепями ДНК сначала объединяются в цепочки, которые затем запрограммированы на складывание в определенную геометрию, аналогично сворачиванию белка. Ковер выделяет один путь складывания гексамерной цепи, складывающейся в политетраэдр. Увеличение показывает, как образование двойных спиралей ДНК приводит к связыванию капель. Кредит: Кейтлинн Снайдер

Команда физиков создала новый способ самосборки частиц — достижение, которое предлагает новые перспективы для создания сложных и инновационных материалов на микроскопическом уровне.

Самосборка, введенная в начале 2000-х годов, дает ученым возможность «предварительно программировать» частицы, позволяя создавать материалы без дальнейшего вмешательства человека — микроскопический эквивалент мебели Ikea, которая может собираться сама.

Прорыв, о котором сообщается в журнале Nature, сосредоточен на эмульсиях — каплях масла, погруженных в воду — и их использовании для самосборки фолдамеров, которые представляют собой уникальные формы, которые можно теоретически предсказать на основе последовательности взаимодействий капель.

Процесс самосборки заимствован из области биологии, имитируя сворачивание белков и РНК с использованием коллоидов. В работе Nature исследователи создали крошечные капельки на масляной основе в воде, обладающие набором последовательностей ДНК, которые служили «инструкциями» по сборке. Эти капли сначала собираются в гибкие цепочки, а затем последовательно схлопываются или складываются с помощью липких молекул ДНК. Это складывание дает дюжину типов фолдамеров, а дальнейшая специфичность может кодировать более половины из 600 возможных геометрических форм.

Изображения под микроскопом показывают цепочку чередующихся синих и желтых капель, складывающихся в геометрию короны посредством сине-голубых, сине-желтых и, наконец, желто-желтых взаимодействий, опосредованных липкими нитями ДНК. Микроскопические капли запрограммированы на взаимодействие через липкие нити ДНК, чтобы уникально складываться в четко определенные формы, как показано здесь. Предоставлено: Лаборатория Бружика.

«Возможность предварительно запрограммировать коллоидную архитектуру дает нам возможность создавать материалы со сложными и инновационными свойствами», — объясняет Ясна Бруйич, профессор физического факультета Нью-Йоркского университета и один из исследователей. «Наша работа показывает, как сотни самособирающихся геометрий могут быть созданы уникальным образом, предлагая новые возможности для создания материалов следующего поколения».

В исследовании также участвовали Ангус Макмаллен, научный сотрудник физического факультета Нью-Йоркского университета, а также Майтане Муньос Басагоити и Зорана Зеравчич из ESPCI Paris.

Ученые подчеркивают контринтуитивный и новаторский аспект метода: вместо того, чтобы требовать большого количества строительных блоков для кодирования точных форм, его технология складывания означает, что необходимо лишь несколько блоков, поскольку каждый блок может принимать различные формы.

«В отличие от головоломки, в которой все части разные, в нашем процессе используются только два типа частиц, что значительно сокращает количество строительных блоков, необходимых для кодирования определенной формы », — объясняет Бруйич. «Инновация заключается в использовании складок, подобных тому, как это делают белки, но в масштабе длины в 1000 раз больше — примерно в одну десятую ширины пряди волоса. Эти частицы сначала связываются вместе, образуя цепочку, которая затем складывается в соответствии с к заранее запрограммированным взаимодействиям, которые направляют цепь по сложным путям к уникальной геометрии».

«Возможность получить лексикон форм открывает путь к дальнейшей сборке в материалы большего масштаба, точно так же, как белки иерархически объединяются для создания клеточных компартментов в биологии», — добавляет она.