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分子级设备实现精确定位!未来有望打造DNA分子器件驱动的新型芯片

Evelyn Zhang

分子和微粒纳米器件——如碳纳米管和半导体纳米线,往往能表现出传统硅微制造难以实现的特性。不幸的是,大多数这样的装置必须在溶液中合成或处理。而如果要将纳米器件组合成更大的电路,则面临更大的挑战。

幸运的是,工程师们已经开发出一种技术,可以将折叠的DNA分子形成的微观设备,精确地放置在特定的位置和特定的方向上。

分子级设备精确定位

(图源:加州理工学院Caltech)

作为一个概念验证,他们将3000多个发光的月亮形状的纳米分子装置放入一个花状的仪器中,用来指示光的偏振。每12片“花瓣”都围绕着花的中心指向不同的方向,每片花瓣内部大约有250个纳米分子光点排铺其上。在偏振光照射下,各个“花瓣”依次发光。

这种“花瓣”的跨度比人类头发的宽度还小,它证明了数千个分子可以可靠地在芯片表面定向。

这种精确放置和定位DNA分子器件的方法,可能使这些分子器件驱动的新型芯片成为可能。这些芯片将分子生物传感器与光学和电子集成在一起,将有望应用于DNA测序,或同时测量数千种蛋白质的浓度。

这项研究发表在2021年2月19日的《科学》(Science)杂志上,建立在加州理工学院生物工程、计算和数学科学、计算和神经系统研究教授Paul Rothemund(1994届学士)和他的同事超过15年的工作基础上:

2006年,Rothemund展示了一种叫做“DNA折纸”(DNA origami)的技术,可以引导DNA自我折叠成精确的形状。

2009年,Rothemund和IBM阿尔马登研究中心(IBM Research Almaden)的同事们描述了一种技术,通过这种技术,DNA折纸可以在表面上的精确位置进行定位。为了做到这一点,他们使用了一种基于电子束(electron beams)的打印工艺,并创建了与折纸一样大小和形状的“粘性”补丁。值得注意的是,他们发现折纸三角形精确地固定在三角形粘性块的位置。

之后,Rothemund和加州理工学院的高级博士后学者、麻省理工学院助理教授Ashwin Gopinath对这项技术进行了改进和扩展,证明由DNA折纸构造的分子设备可以可靠地集成到更大的光学设备中。

2016年,Rothemund和Gopinath展示了携带荧光分子的三角折纸可以用来复制6.5万像素版本的文森特·梵高的《星夜》(Starry Night)。在这项研究中,三角DNA折纸被用来在细菌大小的光学谐振器中定位荧光分子;荧光分子的精确位置至关重要,因为只要向左或向右移动100纳米,像素就会变暗或变亮5倍以上。

有了控制DNA“折纸”上下和旋转方向的可靠方法,许多分子器件现在可以廉价地集成到计算机芯片中,而且产量很高,并且可用于一系列潜在的应用。例如,Rothemund和Gopinath成立了一家名为Palamedrix的公司,将制造半导体芯片的技术商业化,从而能够同时研究与人类健康有关的所有蛋白质。加州理工学院已经为这项研究申请了专利。

上述研究论文题为“Absolute and arbitrary orientation of single-molecule shapes”。这项研究工作得到了海军研究办公室、空军科学研究办公室、美国国家科学基金会、奥尔家族基金会、阿贝丁研究所和班廷博士后奖学金的支持。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源:https://scitechdaily.com/engineers-place-thousands-of-nanoscale-molecular-devices-in-precise-orientation/

https://science.sciencemag.org/content/371/6531/eabd6179

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