211service.com
Gør-det-selv Nanotech
Mens forskere allerede har manipuleret atomer for at gøre bogstaver små nok til at passe alle ord fra Encyclopedia Britannica på hovedet af en nål og har samlet rudimentære molekylære computere og maskiner, er disse bedrifter stadig nyheder, hvis skabelse afhænger af vanskelige og dyre metoder.
Nu Paul Rothemund , en datalog ved Caltech, med en baggrund i biologi, har udviklet en relativt billig måde at hurtigt designe og bygge vilkårlige former og mønstre ved hjælp af DNA - og, siger han, det er simpelt nok for gymnasieelever at bruge. Da en række forskellige molekyler og nanopartikler kan kobles til DNA, kunne denne teknik være en måde til hurtigt at mønstre komponenter så forskellige som proteiner og halvledende nanorør, hvilket muligvis fører til minutiøse elektroniske enheder eller enheder til at studere celler på et hidtil uset detaljeringsniveau.
[Klik her for billeder af nogle af disse selvsamlede DNA-former.]
Det er virkelig spektakulært arbejde. Jeg er ekstremt begejstret for det, siger William Shih , professor i biologisk kemi og molekylær farmakologi ved Harvard Medical School, som nu arbejder på at udvide Rothemunds teknik til at bygge tredimensionelle strukturer. Rothemunds arbejde, siger han, har taget det lille område af DNA-nanoteknologi og åbnet det op for at blive et almindeligt værktøj ved at gøre det en eller to størrelsesordener billigere og lettere at lave.
Nadrian Seeman , New York University kemiker, der var pioner for brugen af DNA til at konstruere komplekse former, siger: Ved at bevæge sig op i skala er han i stand til at producere mere indviklede og større mønstre, end det var praktisk muligt med tidligere tilgange. Dette er et spændende fremskridt, som sandsynligvis vil revolutionere mønsterdannelsen på denne skala.
I Rothemunds metode slanger en lang DNA-streng frem og tilbage, indtil den danner en ønsket form. Nøglen til at få DNA'et til at danne sig på denne måde, og til at holde det på plads, er korte hæfteklammer af DNA med sekvenser valgt til at knytte sig til specifikke dele af den lange streng. Rothemund deler den lange streng i sektioner; så kan en hæfteklammer fastgøres til f.eks. sektionerne 86 og 112 og bringe dem sammen og få den lange streng til at folde. Et par hundrede unikke hæfteklammer kan folde DNA'et til den helt rigtige form.
Et computerprogram sørger for at identificere de sekvenser, hæfteklammerne skal have. Jeg designer [den struktur], jeg vil have på computeren, siger Rothemund. Den spytter et sæt af 250 DNA-sekvenser ud. Jeg bestiller dem; de kommer med posten i en masse små rør. Jeg blander dem sammen [sammen med den lange DNA-streng], tilsætter lidt salt, varmer det op til kogning og køler det ned til omkring stuetemperatur, og så er det færdigt. Når de er blandet sammen, samler DNA-strengene sig selv til den ønskede struktur.
Sådanne selvsamlingsmetoder kan bruges til at lave enhver form eller mønster, der måler 100 nanometer på tværs eller mindre, og med funktioner omkring 6 nanometer fra hinanden. Til sammenligning er et rødt blodlegeme omkring 7.000 nanometer på tværs. En artikel, der beskriver Rothemunds arbejde, vises i dag i tidsskriftet Natur demonstrerer teknikkens alsidighed med billeder af smiley ansigter, firkanter, trekanter og stjerner ( klik her ). Men Rothemund kan også lave indviklede mønstre på disse former - for eksempel har han tegnet et 1:200 billioner kort over den vestlige halvkugle, der kunne passe inde i en celle.
At designe hver struktur tog omkring en uge, ifølge Rothemund. Derefter samles billioner af eksemplarer selv på få timer – denne produktionshastighed er en af de egenskaber, der gør selvsamling så attraktiv.
Lige nu er teknikken dog en løsning i jagten på problemet. Men Rothemund og andre, såsom Shih, forventer, at praktiske anvendelser kommer snart, da forskere lærer, hvor let teknikken er, og finder måder at anvende den på specifikke problemer. En mulighed er at mønstre elektroniske enheder i mindre skala, end det er muligt ved hjælp af nutidens optiske litografimetoder. Thomas LaBean , en kemiker og datalog ved Duke University, som har udviklet en anden generel DNA-selvsamlingsteknik, der er lidt sværere og har en lavere opløsning end Rothemunds, er ved at udvikle enkeltelektrontransistorer mønstret med DNA, der kunne tjene som komponenter til sådan en enhed.
Der er dog betydelige udfordringer tilbage, før fungerende enheder, der bruger denne metode, dukker op. Med selvsamling er der en iboende fejlrate, siger Harvards Shih. I modsætning til nutidens computere, for eksempel, skal selvsamlede computere opdage og omgå ikke-fungerende komponenter. Også mange applikationer vil kræve større mønstre end Rothemund har lavet hidtil. En potentiel løsning på det problem, som Rothemund allerede har prøvet med begrænset succes, er at kombinere mindre former ved hjælp af DNA-strenge, ligesom celler samles for at bygge en organisme, forklarer han.
Selvom den nye teknik er overkommelig for laboratorier, er den endnu ikke billig nok til fremstilling af bulkmaterialer. Den allerede demonstrerede selvsamling kunne dog være praktisk til at bygge nanoarrays, der kan måle det præcise indhold af enkeltceller, siger Shih, hvilket giver biologer mulighed for bedre at lære de roller, som individuelle celler spilles, for eksempel dem i et nervesystem.
Faktisk er den bedste applikation måske endnu ikke tænkt på. Jeg føler mig ikke modløs over, at vi ikke har fundet de super-killer-applikationer til dette endnu, siger Shih. At være i stand til at samle billioner af molekylært præcise enheder er noget, vi bare ikke har været i stand til. Og nu har vi pludselig denne metode, hvor vi kan gøre det, til en overkommelig pris. Det er ikke indlysende, hvad disse gevinster vil være, men vi føler alle, at de er der.
Lloyd Smith , en kemiker fra University of Wisconsin, Madison, og forfatter til en kommentar til arbejdet i Natur , skrev, Vi er nu måske mere begrænset af vores fantasi end vores evner.