Création de nanomatériaux 3D innovants grâce à un assemblage programmable par ADN

Université Columbia, New York, NY

Image en microscopie électronique d'une nanoparticule 3D assemblée à l'aide de liaisons programmables par ADN. (Image :Oleg Gang)

Lorsque l’Empire State Building a été construit, ses 102 étages s’élevaient au-dessus du centre-ville, une pièce à la fois, chaque élément se combinant pour devenir, pendant 40 ans, le bâtiment le plus haut du monde. Dans les quartiers chics de Columbia, Oleg Gang et son laboratoire de génie chimique ne construisent pas une architecture Art déco ; leurs points de repère sont des dispositifs incroyablement petits construits à partir de blocs de construction nanoscopiques qui s'organisent eux-mêmes.

"Nous pouvons désormais construire des organisations 3D complexes à partir de nanocomposants auto-assemblés, une sorte de version à l'échelle nanométrique de l'Empire State Building", a déclaré Gang, professeur de génie chimique et de physique appliquée et science des matériaux à Columbia Engineering et chef du groupe de nanomatériaux mous et bio du Center for Functional Nanomaterials au Brookhaven National Laboratory.

"Les capacités de fabrication de matériaux 3D à l'échelle nanométrique dès la conception sont essentielles pour de nombreuses applications émergentes, allant de la manipulation de la lumière à l'informatique neuromorphique, et des matériaux catalytiques aux échafaudages et réacteurs biomoléculaires", a déclaré Gang.

Dans deux articles, dont un publié dans Nature Materials et une seconde en ACS Nano , Gang et ses collègues décrivent une nouvelle méthodologie pour fabriquer des structures ciblées à l'échelle nanométrique 3D via l'auto-assemblage qui peut être utilisée dans diverses applications, et ils fournissent un algorithme de conception que d'autres pourront suivre. Et tout est basé sur les éléments de base biomoléculaires les plus élémentaires :l'ADN.

Lorsqu’il s’agit de fabrication de produits microélectroniques à petite échelle, les approches conventionnelles reposent sur des stratégies descendantes. Une approche courante est la photolithographie, qui utilise une lumière puissante et des pochoirs complexes pour graver les circuits. Mais les techniques lithographiques traditionnelles ont du mal à gérer des structures tridimensionnelles complexes, tandis que la fabrication additive, mieux connue sous le nom d’impression 3D, ne peut pas encore fabriquer des éléments à l’échelle nanométrique. En termes de flux de travail, les deux méthodes fabriquent chaque fonctionnalité une par une, en série. Il s'agit d'un processus intrinsèquement lent pour la construction d'objets 3D.

En s'inspirant des biosystèmes, Gang construit des matériaux et des dispositifs 3D de bas en haut via des processus d'auto-assemblage dirigés par l'ADN. Il a affiné sa méthode grâce à des collaborations avec d'autres scientifiques pour construire, par exemple, des appareils électroniques extrêmement petits dont ils ont besoin pour leur travail.

Il y a deux mois, lui et son ancien élève, Aaron Michelson, aujourd'hui chercheur au Centre des nanomatériaux fonctionnels du Brookhaven National Laboratory, ont livré un prototype destiné aux collaborateurs de l'Université du Minnesota intéressés par la création de capteurs de lumière 3D intégrés sur des micropuces. Ils ont construit les capteurs en développant des échafaudages d'ADN sur une puce, puis en les recouvrant d'un matériau sensible à la lumière.

Cet appareil n’était que le premier d’une longue série. Dans leur dernier article dans Nature Materials , Gang et son équipe établissent une stratégie de conception inverse pour créer les structures 3D souhaitées à partir d'un ensemble de composants d'ADN et de nanoparticules à l'échelle nanométrique. L’étude présente quatre autres applications de leur approche « ADN origami » à la conception de matériaux :une structure cristalline composée de cordes unidimensionnelles et de couches bidimensionnelles; une imitation des matériaux couramment trouvés dans les panneaux solaires ; un autre cristal qui tourne dans un tourbillon hélicoïdal; et, pour son collaborateur Nanfang Yu, professeur de physique appliquée à Columbia Engineering, une structure qui reflétera la lumière de manière particulière pour son objectif de créer un ordinateur optique.

À l’aide de techniques de caractérisation avancées, telles que la diffusion des rayons X par synchrotron et les méthodes de microscopie électronique, aux laboratoires nationaux de Columbia et de Brookhaven, l’équipe a confirmé que les structures résultantes correspondaient à leurs conceptions et a révélé les considérations conçues pour améliorer la fidélité de la structure. Chacune de ces structures uniques s’est assemblée dans des puits d’eau dans le laboratoire de Gang. Ce type de formation de matériaux est de nature parallèle puisque les composants s'assemblent pendant le processus d'assemblage, ce qui signifie des économies de temps et d'argent significatives pour la fabrication 3D par rapport aux méthodes traditionnelles. Le processus de fabrication est également respectueux de l'environnement puisque l'assemblage s'effectue dans l'eau.

"Cette méthodologie d'assemblage, associée à l'automatisation de la robotique liquide sur laquelle je travaille actuellement au BNL, ouvre de nouvelles possibilités pour établir la nanofabrication 3D pour un large éventail d'applications", a déclaré Brian Minevich, co-premier auteur de l'article, qui était titulaire d'un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Gang et est maintenant chercheur postdoctoral au BNL.

"Il s'agit d'une plate-forme applicable à de nombreux matériaux dotés de nombreuses propriétés différentes :biologiques, optiques, électriques et magnétiques", a déclaré Gang. Le résultat final dépend simplement de la conception.

L'ADN se replie de manière prévisible, car les quatre acides nucléiques qui le composent ne peuvent s'associer que dans des combinaisons particulières. Mais lorsque la structure souhaitée contient des millions, voire des milliards de pièces, comment trouver la bonne séquence de départ ? Gang et ses collègues résolvent ce défi grâce à une approche de conception structurelle inversée. "Si nous connaissons la grande structure avec la fonction que nous voulons créer, nous pouvons la diviser en composants plus petits pour créer nos éléments de base avec les attributs structurels, contraignants et fonctionnels nécessaires pour former la structure souhaitée", a déclaré Gang.

Les éléments constitutifs sont des brins d'ADN qui se replient en une forme octaédrique mécaniquement robuste, que Gang appelle un voxel, avec des connecteurs à chaque coin qui relient chaque voxel entre eux. De nombreux voxels peuvent être conçus pour se relier à un motif 3D répétitif particulier à l’aide du codage ADN, de la même manière que les pièces d’un puzzle forment une image complexe. Les motifs répétitifs, à leur tour, sont également assemblés en parallèle pour créer la structure hiérarchique ciblée. Le collaborateur Sanat Kumar, professeur de génie chimique Michael Bykhovsky et Charo Gonzalez-Bykhovsky à Columbia, a fourni une vérification informatique de l'approche de conception inverse de Gang.

Pour permettre la stratégie de conception inverse, les chercheurs doivent comprendre comment concevoir ces « pièces de puzzle » à l’échelle nanométrique basées sur l’ADN avec le nombre minimal nécessaire pour former la structure souhaitée. "Vous pouvez y voir comme compresser un fichier. Nous voulons minimiser la quantité d'informations pour que l'auto-assemblage de l'ADN soit le plus efficace possible", a déclaré le premier auteur Jason Kahn, chercheur au BNL et auparavant postdoctorant au sein du groupe Gang. Surnommé Mapping of Structurally Encoded Assembly, ou MOSES, cet algorithme ressemble à un logiciel de CAO à l'échelle nanométrique, a ajouté Gang. "Il vous dira quel voxel d'ADN utiliser pour créer un réseau 3D particulier, arbitrairement défini et ordonné hiérarchiquement."

À partir de là, vous pouvez ajouter divers types de nano-« cargo » à l’intérieur des voxels d’ADN qui confèreront à la structure finale des propriétés particulières. Par exemple, des nanoparticules d’or ont été incorporées pour conférer des propriétés optiques uniques, comme le démontrent les expériences de Yu. Mais, comme indiqué précédemment, des nanocomposants inorganiques et d'origine biologique peuvent être intégrés dans ces échafaudages d'ADN.

Une fois l’appareil assemblé, l’équipe l’a également « minéralisé ». Ils ont enduit les échafaudages de silice, puis les ont exposés à la chaleur pour décomposer l'ADN, convertissant ainsi efficacement l'échafaudage organique d'origine en une forme inorganique très robuste.

Gang continue de collaborer avec Kumar et Yu pour découvrir des principes de conception qui permettront l'ingénierie et l'assemblage de structures complexes, dans l'espoir de réaliser des conceptions encore plus complexes, notamment un circuit 3D destiné à imiter la connectivité complexe du cerveau humain.

"Nous sommes sur la bonne voie pour établir une plateforme ascendante de nanofabrication 3D. Nous considérons cela comme une impression 3D de nouvelle génération à l'échelle nanométrique, mais pour l'instant, la puissance de l'auto-assemblage basé sur l'ADN nous permet d'établir une fabrication massivement parallèle", a déclaré Gang.

Pour plus d'informations, contactez Oleg Gang à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le visualiser..