Любопытный способ использовать возможности ДНК на уровне новой перспективной технологии предложили исследователи из Калифорнийского технологического института, создавшие с ее помощью репродукцию знаменитой картины Винсента Ван Гога «Звездная ночь». То, что вы видите ниже на монохроматическом изображении размером с десятикопеечную монету — результат сворачивания молекул ДНК, сопровождающегося переориентацией светящихся молекул в строго определенных местах — «ячейках» микроскопических оптических резонаторов. Предложенная технология управления процессом сворачивания ДНК, по убеждению ее авторов, в перспективе позволит создавать полностью функциональные наноразмерные биокомпьютеры.

Технология ДНК-оригами, позволяющая сообщать длинной молекуле ДНК любую заранее определенную форму и свойства была разработана Полом Ротмундом (Paul Rothemund) из Калифорнийского технологического института около 10 лет назад. Тогда ученому удалось создать из кольцевой молекулы ДНК бактериофага М13 несколько элементарных геометрических форм — треугольников, звезд, прямоугольников и смайлов.

Вкратце напомним, что в основу техники ДНК-оригами положен принцип комплементарности, описывающий строение двухцепочечной ДНК. Такие биомолекулы представляют собой длинные нити, на которых располагается четыре типа «бусин», азотистых оснований, — гуанина, аденина, цитозина и тимина. В двойной спирали напротив аденина может быть расположен только тимин, а напротив гуанина — только цитозин и т. д.

Располагая информацией о расположении оснований в одноцепочечной молекуле ДНК можно подобрать для нее наборы коротких «скрепок», заставляющих цепочку компактно складываться в нужную форму, к примеру, в плоский лист. Как отмечает Пол Ротмунд, разработка и синтез таких «скрепок» занимает порядка двух недель, а на сам процесс создания оригами затрачивается порядка нескольких часов, после того, как компоненты смешиваются в растворе.

ДНК, сформированная по нужному «сценарию» может выступить в качестве платформы, в которую можно интегрировать всевозможные компоненты нанометрового масштаба, от молекул флуоресцентного вещества и углеродных нанотрубок — до мини-капсул с лекарственными препаратами и элементов микроскопических биокомпьютеров. Вместе с тем, для достижения поставленных целей и создания перспективнейших работоспособных наноустройств наличие одного основания на основе ДНК оказывается недостаточно.

В 2009 году, Пол Ротмунд и группа специалистов из компании IBM Research, используя метод электронно-лучевой литографии впервые описали, а позже и реализовали технологию сверхточного размещения молекул ДНК в заданном порядке. Все последующие годы вплоть до сегодняшнего момента Ротмунд с коллегами из Калифорнийского технологического института под руководством Эшвина Гопинатха (Ashwin Gopinath) — профессора кафедры биоинженерии Калифорнийского технологического института совершенствовали разработку и, в итоге, сумели предложить способ точного расположения молекул ДНК на поверхностях практически любой сложной формы, включая поверхность полупроводникового чипа. Примером того, какого эффекта можно достичь, используя предложенную технологию стала созданная учеными миниатюрная репродукция картины Ван Гога «Звездная ночь». Ротмунд и его коллеги использовали технику ДНК-оригами для направленного крепления молекул люминофоров к поверхности двумерного фотонного кристалла. Сам по себе кристалл — упорядоченная структура, напоминавшую соты. А для его изготовления ученые использовали метод травления поверхности с помощью пучка электронов.

«То, что мы создали упрощенно можно сравнить с ввертыванием молекулярных „лампочек“ в микроскопические патроны при помощи ДНК-оригами» — поясняет Пол Ротмунд, — «При этом, за счет регулирования взаимного расположения молекул и расстояния между ними и источниками света, мы смогли получить возможность менять яркость свечения каждой такой „лампочки“ в нужных пределах. Созданная нами репродукция — не что иное, как матрица в 65 536 пикселей размером 256 на 256 с разной яркостью свечения».

Перемещая оригами ДНК в матрице с шагом 20 нм, исследователи смогли получить рисунок, напоминающий клетки шахматной доски, с участками различного уровня интенсивности свечения молекулярных «лампочек» в «холодных» и «горячих» точках.

Принцип сборки ДНК-оригами и создания фотонного кристалла (верхний и средний ряд). Нижний ряд: способ крепления оригами к фотонному кристаллу (за счет карбоксильных групп), микрофотографии оригами на поверхности кристалла. Правый нижний угол — спектр отражения области, к которой прикреплена молекула с люминофором. Ashwin Gopinath et al. / Nature, 2016

Зависимость яркости свечения люминофора от положения оригами внутри «подложки». Ashwin Gopinath et al. / Nature, 2016

«Все предыдущие работы, связанные с созданием наноразмерных излучателей света позволяли разместить только несколько рабочих „ламп“ из-за чрезвычайной сложности воспроизведения схемы управления устройством, в значительной степени зависящей от количества и положения излучателей в полости» — отмечает Гопинатх.

Новая технология позволяет устанавливать от ноля до семи оригами ДНК, что дает возможность в цифровой форме управлять яркостью каждой лампы без ограничений.

Расположение оригами-адаптеров в полостях. Тестовые эксперименты по передаче цвета и «Звездная ночь». Ashwin Gopinath et al. / Nature, 2016

Проблема в том, пояснил ученый, что флуоресцентные молекулы после их перераспределения на подложке «живут» приблизительно 45 секунд. После этого они вступают в реакцию с кислородом и сгорают. В этом процессе они начинают излучать свет нескольких оттенков красного, но не одного чистого цвета. Полученные результаты вдохновили исследователей на поиски решения этой проблемы, устранение которой, по их мнению, позволит реализовать новейшие перспективные технологии, вплоть до технологий, используемых в наноразмерных квантовых вычислительных системах.