Plantillas de grafeno con ADN

La singular estructura del ADN es ideal para transportar información genética, pero los científicos han descubierto recientemente formas de aprovechar esta molécula versátil para otros fines: Mediante el control de secuencias de ADN, se puede manipular la molécula para realizar formas a nanoescala de diferentes productos químicos.

Grafeno DNA

El ADN metalizado (rojo) forma las letras en una superficie de grafeno. El tratamiento con plasma de oxígeno graba la forma de las letras en el grafeno. IMAGEN: ZHONG JIN

Los ingenieros moleculares en el MIT y Harvard Universidad han ampliado este enfoque mediante el uso de ADN plegada para controlar la nanoestructura de materiales inorgánicos.

Después de construir nanoestructuras de ADN de varias formas, utilizaron las moléculas como plantillas para crear patrones a nanoescala en hojas de grafeno. Esto podría ser un paso importante hacia la producción a gran escala de los chips electrónicos hechos de grafeno, una lámina de un átomo de espesor de carbono con propiedades únicas electrónicas.

“Esto nos da una herramienta química a las formas de programas y modelos a escala de nanómetros, formando circuitos electrónicos, por ejemplo “, dice Michael Strano, profesor de ingeniería química en el MIT y autor principal de un artículo que describe la técnica en cuestión el 9 de abril de Nature Communications .

Peng Yin, profesor asistente de biología de sistemas en la Harvard Medical School y miembro de la Universidad de Harvard Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, es también un autor principal del artículo, y el MIT postdoc Zhong Jin es el autor principal. Otros autores son investigadores posdoctorales Harvard y Ke Wei Sun Yonggang, estudiantes de postgrado del MIT Chih-Jen Shih y Geraldine Paulus y el MIT postdocs Qing Hua Wang y Bin Mu.

La mayoría de estas nanoestructuras de ADN se realizan utilizando un enfoque novedoso desarrollado en el laboratorio de Yin’s. Nanoestructuras complejas de ADN con las formas prescritas se construyen con precisión utilizando pequeñas hebras de ADN sintético. Cada uno de estos bloques actúa uniéndose con los cuatro vecinos designados.

Utilizando estos bloques, el laboratorio de Yin ha creado más de 100 formas distintas a escana nanométrica, incluyendo el abecedario completo de letras mayúsculas en inglés y muchos emoticonos. Estas estructuras están diseñadas utilizando software de ordenador y puede ser montado en una reacción simple. Alternativamente, dichas estructuras se pueden construir usando un método llamado  DNA Origami, en la que muchas hebras de ADN  se doblan formando una hebra larga de la forma deseada.

Sin embargo, el ADN tiende a degradarse cuando se expone a la luz solar u oxígeno, y puede reaccionar con otras moléculas, por lo que no es ideal como material de construcción a largo plazo. “Nos gustaría aprovechar las propiedades de los nanomateriales más estables para aplicaciones estructurales o la electrónica”, dice Strano.

En lugar de ello, él y sus colegas transfiere la información estructural codificada en el ADN a un material más estable, el grafeno. El proceso químico involucrado es bastante sencillo, según Strano: “En primer lugar, el ADN se ancla en una superficie de grafeno utilizando una molécula llamada aminopirina, que es similar en estructura al grafeno. El ADN es cubierto con pequeñas agrupaciones de plata a lo largo de la superficie, lo que permite una capa posterior de oro que se deposita sobre la parte superior de la plata. Una vez que la molécula está recubierta de oro, el ADN metalizado es estable y se puede utilizar como una máscara para un proceso llamado litografía de plasma. El plasma de oxígeno, un muy reactivo “flujo de gas” de moléculas ionizadas, se utiliza para desgastar cualquier grafeno sin protección, dejando atrás una estructura de grafeno idéntica a la forma original de ADN. El ADN metalizada se eliminan por lavado con cianuro de sodio.

Formando circuitos de grafeno

El equipo de investigación utilizó esta técnica para crear varios tipos de formas, incluyendo X y Y uniones, así como los anillos y  cintas. Se encontró que aunque la mayoría de la información estructural se conserva, se pierde alguna información cuando el ADN está recubierto en metal, lo que la técnica aún no es tan precisa como otra técnica llamada litografía de haz electrónico.

Sin embargo, la litografía de haz electrónico, que utiliza haces de electrones para tallar formas en grafeno, es caro y lleva mucho tiempo, por lo que sería muy difícil para escalar hasta producir en masa los componentes eléctricos o de otro tipo hechos de grafeno.

En el largo plazo, la estrategia de fabricación de nanoestructuras de ADN podría ayudar a los investigadores a diseñar y construir circuitos electrónicos hechos de grafeno. Esto ha sido difícil hasta ahora porque es un reto para colocar estructuras diminutas de carbono, tales como nanotubos y nanohilos, sobre una hoja de grafeno. Sin embargo, usando las máscaras de ADN para organizar estructuras metalizadas en una hoja de grafeno podría hacer el proceso mucho más fácil.

El nuevo enfoque es “conceptualmente nuevo”, dice Robert Haddon, profesor de ingeniería química y ambiental en la Universidad de California en Riverside, que no formó parte del equipo de investigación. “El trabajo muestra el potencial de nanoarquitecturas de ADN autoensambladas y metalizados como máscaras litográficas para definir obleas a escala basadas en circuitos electrónicos de grafeno. Creo que este enfoque estimula la investigación sobre la aplicación de técnicas nanoestampación basadas ​​en el grafeno y en la nanoelectrónica.”

La investigación fue financiada por la Office of Naval Research, la Agencia de Proyectos , la Defense Advanced Research Projects Agency, la National Science Foundation, y la Army Research Office a través del MIT Institute of Soldier Nanotechnologies.

Fuente: MIT

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