Американські хіміки розробили на основі ДНК-орігамі метод, який дозволяє закріплювати на поверхні і орієнтувати заданим чином анізотропні оптичні наночастинки. Точність орієнтування оптичних діполів становила 3,2 градуса. У майбутньому такий метод може стати основою для створення асиметричних молекулярних пристроїв - як оптичних, так і електронних, пишуть автори роботи в.
ДНК-орігамі - один з найбільш точних методів для створення молекулярних об'єктів практично будь-якої форми. Правильно підбираючи послідовність нуклеотидів в ДНК, можна зафіксувати точки зчеплення молекулярного ланцюжка і спроектувати таким чином її кінцеву форму - і в площині, і в обсязі. При цьому об'єкти заданої заздалегідь форми можна робити не тільки з самих нуклеїнових кислот: ДНК-орігамі може бути і платформою для створення впорядкованих структур з інших полімерних молекул або наночастинок.
Наприклад, одноланцюжкову молекулу ДНК, якій вже надали правильну форму, можна потім використовувати як матрицю вже для інших молекул або колоїдних частинок - як неорганічних, так і полімерних. Таким чином можна робити оптичні, електронні або біологічні пристрої, з нанометровою точністю розміщуючи на поверхні різні молекулярні елементи. Так, пару років тому вчені запропонували зробити з молекул ДНК, вже складених за допомогою методів орігамі, маски для літографічного цькування і отримали таким чином плазмонні наноантени заданої форми.
Американські хіміки під керівництвом Пола Ротемунда (Paul W. K. Rothemund) з Каліфорнійського технологічного інституту придумали, як за допомогою ДНК-орігамі прикріплювати на плоску поверхню анізотропні наночастинки і потрібним чином їх на ній розгортати. Часто для оптичних і асиметричних електронних пристроїв, в тому числі і на нанорівні, саме правильна орієнтація анізотропних елементів - ключовий фактор правильної роботи, тому потрібно не тільки зафіксувати частинки по вузлах сітки, але і зорієнтувати їх в заданому напрямку.
Щоб зрозуміти, як зібрані за допомогою ДНК-орігамі анізотропні частинки адсорбуються на підкладку з оксиду кремнію і чи можна контролювати їх орієнтацію, хіміки провели двостадійне дослідження. На першому етапі вони визначили, від яких факторів залежить пріоритетна адсорбція анізотропних частинок і наскільки цей процес рівноважний. Для цього вчені зробили частинки у формі нерівнобедрених прямокутних трикутників, кожну - з 200 коротких ДНК-скріпок. У кожної з частинок «липкої» була тільки одна з граней: з одного боку з частинки стирчали тимінові хвости ДНК-скріпок, які придушували електростатичне тяжіння між частинкою і поверхнею і відштовхувалися від підкладки, а друга сторона, без нуклеотидних фрагментів, залишалася для поверхні «липкою». При цьому за рахунок кристалічної структури оксидної поверхні і сили взаємодії у частинки, що приклеїлася, було три пріоритетних орієнтації на підкладці: одна бажана і дві небажаних (150 і − 150 градусів відносно основної).
Змоделювавши адсорбцію частинок на оксидну поверхню, вчені дійшли висновку, що виникнення додаткових небажаних орієнтацій пов'язана з кінетичними ефектами, а не термодинамічними. Щоб придушити їх, залишивши єдиний енергетичний мінімум, досить трохи змінити форму ДНК-частинки. Найбільш виграшною виявилася форма у вигляді кола зі зміщеним відносно центру отвором, яку і використовували автори роботи на другому етапі дослідження.
Експеримент підтвердив, що всі такі частинки при адсорбції орієнтуються однаковим чином, а якщо до них приєднати молекулу флуоресцентного барвника, то можна отримати оптичне наноустрій з виділеною орієнтацією оптичних діполів. За даними поляризаційної мікроскопії, точність орієнтування була в межах 3,2 градуса.
Щоб показати, що за допомогою запропонованої методики дійсно можна зібрати оптичне наноустрій, вчені зібрали масив з 3456 флуоресцентних ДНК-частинок, розподіливши їх по 12 областях - кожна зі своєю орієнтацією. А орієнтування подібним чином флуоресцентних частинок всередині оптичного резонатора в фотонному кристалі призвело до збільшення інтенсивності випускання в 4,5 рази.
За словами авторів роботи, за допомогою цього ж підходу можна створювати наноустрою з узгодженою орієнтацією частинок і на інших плоских підкладках: з нітриду кремнію, кремнію або алмазоподібного вуглецю. Вчені вважають, що запропонована ними методика значно спростить у майбутньому отримання асиметричних молекулярних пристроїв, як оптичних, так і електронних.
За допомогою ДНК-орігамі та люмінесцентних частинок можна не тільки робити корисні електронні пристрої, а й, наприклад, картини нанометрової роздільної здатності. Так, у 2017 році хіміки зібрали з ДНК зображення Джоконди.