Химики из Калифорнийского технологического института воспроизвели картину «Звездная ночь», используя ДНК-оригами. Для этого ученые разработали технологию, позволяющую размещать на поверхности фотонных кристаллов заранее определенные количества люминофоров. Молекулы ДНК в ней играют роль адаптеров, на которых крепились молекулы красителей. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает Gizmodo.

ДНК-оригами — техника, позволяющая создавать из длинных молекул ДНК нанообъекты с запрограммированными свойствами: формой и расположением функциональных участков. В ее основе лежит принцип комплементарности, описывающий строение двухцепочечной ДНК. Эти биомолекулы — длинные нити, на которых располагается четыре типа «бусин», азотистых оснований, — аденин, гуанин, цитозин и тимин. В двойной спирали напротив аденина может быть только тимин, а напротив гуанина — только цитозин.

Фрагмент воссозданной картины. Ashwin Gopinath et al. / Nature, 2016

Зная расположение оснований в одноцепочечной молекуле ДНК можно подобрать для нее набор коротких «скрепок», которые заставят цепочку компактно сложиться, например, в плоский лист. Как отмечает создатель технологии, Пол Ротмунд из Калтеха, на разработку и синтез этих «скрепок» уходит около двух недель, а сам процесс создания оригами занимает несколько часов, после смешивания компонентов в растворе. Десять лет назад химик из кольцевой молекулы ДНК бактериофага М13 создал несколько простых геометрических форм — треугольников, звезд, прямоугольников и смайликов. 

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

В новой работе Ротмунд и его коллеги использовали технику ДНК-оригами для того, чтобы направленно прикрепить молекулы люминофоров к поверхности двумерного фотонного кристалла. Кристалл представлял собой упорядоченную структуру, напоминавшую соты. Для его изготовления ученые применили метод травления поверхности с помощью пучка электронов. По замыслу авторов, оригами с красителем должны были располагаться в специальных областях, в которых структура сот нарушалась — отсутствовали три расположенные рядом углубления. Чтобы молекулы эффективно связывались с областями, ученые активировали на них, в процессе изготовления, до семи участков. В зависимости от расположения прикрепленных люминофоров менялась интенсивность свечения отдельных частей кристалла.

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

Для демонстрации технологии авторы решили воспроизвести в одноцветном варианте картину «Звездная ночь» Винсента ван Гога. Как рассказал Эшвин Гопинатх (Ashwin Gopinath), соавтор работы, на это его вдохновила одна из серий «Доктора Кто» («Винсент и Доктор»), кроме того, ему всегда нравилась эта картина. За основу для воссоздания ученые выбрали снимок картины, опубликованный в Wikipedia. Всего авторам потребовалось создать 65 536 «посадочных площадок» для треугольных оригами-молекул с люминофорами. 

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

Зависимость свечения люминофоров от места их крепления — важный эффект, позволяющий изучить внутреннюю зонную структуру фотонного кристалла, и, в частности, наглядно показать локальную плотность состояний в нем. Авторы отмечают, что благодаря этой технике можно будет исследовать необычное явление — сверхизлучение (подробнее о нем можно почитать в этой новости о его антиподе, субизлучении). Это процесс, в результате которого большое количество светоизлучающих объектов (люминофоров или возбужденных атомов) могут синхронизировать испускание фотонов. Ученые сравнивают его со спонтанной синхронизацией нескольких метрономов, стоящих рядом. Хотя теоретически сверхизлучение было описано 55 лет назад, существует немного его экспериментальных проверок.

Техника ДНК-оригами находит применение в различных областях, начиная от материаловедения и заканчивая медициной. Так, с помощью этой техники удалось преодолеть лекарственную устойчивость рака крови. ДНК-оригами использовали для создания манипулятора, сближающего и удаляющего между собой молекулы на заданное расстояние с точностью до 0,4 ангстрем, а также специальных контейнеров и ножниц. Технология позволяет создавать и трехмерные объекты, например, химики из Университета Аризоны сложили из ДНК курносый куб.

Автор: Владимир Королёв