高秩序ナノ構造を自由に 3D 構築

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(Nano-objects of Desire: Assembling Ordered Nanostructures in 3-D)

2020/1/13 アメリカ合衆国・ブルックヘブン国立研究所(BNL)

Schematic of the platform for assembling 3-D lattices

Fluorescence microscope images

・ BNL が、有機や無機のナノ物質(nano-objcets)を自由な 3D 構造に作製する、DNA-プログラマブル・ナノファブリケーションプラットフォーム技術を開発。

・ ナノ材料の作製に利用される自己組織化(self-assembly: SA)技術は、システムに高度に特化したもので、材料元来の特性を基本とした構造の作製に限られる。異なるナノコンポーネントによる同一の3D 構造アレー構築が不可能。

・ 新プラットフォームは、金属、半導体やタンパク質、酵素等の様々な有機・無機ナノ物質を包含できる多面体の強靭な DNA フレーム設計で、材料特性にかかわらない SA プロセスを可能にする。

・ 立方体、八面体や四面体等の形状に合成した DNA フレームの中には、相補的な DNA 配列を備えたナノ物質のみが結合できる、DNA の「アーム」が格納される。このような DNA フレームとナノ物質を統合した材料のボクセルが、マクロケールの 3D 構造の構成要素となる。

・ DNA フレームは、包含するナノ物質の種類や有無にかかわらず、エンコードされた相補的配列に従ってその頂点にて他のフレームと結合する。フレーム形状により頂点の数が異なるため、3D 構造も変わり、フレームに格納されるナノ物質はすべて、その特定のフレーム構造を呈する。

・ DNA フレーム中に無機ナノ材料として金属(金)と半導体(セレン化カドミウム)のナノ粒子、有機ナノ物質として細菌タンパク質(ストレプトアビジン)を配置し、同プラットフォームによるアセンブリー技術を実証。

・ まず、電子顕微鏡で DNA フレームとボクセルの統合状態を確認し、次にコヒレント硬 X 線)散乱等のビームラインで 3D 格子構造を精査。計算モデリングを実施し、(X 線散乱パターンに基づき)観察した格子構造が、ボクセルが形成し得る熱力学的に最も安定するものであることがわかった。

・ 次に、化学的および光学的機能を有する 2 種類の材料の作製について実証。2 種類の酵素で作製した高密度の 3D アレイでは、酵素の化学的性質は変わらずに酵素活性が約 4 倍増進。これらの「ナノリアクタ」は、カスケード反応の促進での利用や、化学的に活性な材料の作製を可能にする。

・ 光学的材料の実証では、2 色の量子ドットを統合して形成した格子が、 光の回折限界を下回る色純度を維持することを蛍光顕微鏡による画像で確認。ディスプレイ解像度や光通信技術の飛躍的な向上が期待できる。

・ 同プラットフォーム技術では、既存の材料を新しい方法でパッケージングすることでそれらの特性を向上する。自由に選択した多種材料のナノ物質から成る 3D 格子形成のアプローチを用いて従来では相容れない材料を統合できる同技術は、ナノマニュファクチャリングに革新をもたらすものと考える。

URL: https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=116875

(関連情報)

Nature Materials 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)

Ordered three-dimensional nanomaterials using DNA-prescribed and valence-controlled material voxels

URL: https://www.nature.com/articles/s415630190550x

<NEDO海外技術情報より>

Abstract

The ability to organize nanoscale objects into well-defined three-dimensional (3D) arrays can translate advances in nanoscale synthesis into targeted material fabrication. Despite successes in nanoparticle assembly, most extant methods are system specific and not fully compatible with biomolecules. Here, we report a platform for creating distinct 3D ordered arrays from different nanomaterials using DNA-prescribed and valence-controlled material voxels. These material voxels consist of 3D DNA frames that integrate nano-objects within their scaffold, thus enabling the object’s valence and coordination to be determined by the frame’s vertices, which can bind to each other through hybridization. Such DNA material voxels define the lattice symmetry through the spatially prescribed valence decoupling the 3D assembly process from the nature of the nanocomponents, such as their intrinsic properties and shapes. We show this by assembling metallic and semiconductor nanoparticles and also protein superlattices. We support the technological potential of such an assembly approach by fabricating light-emitting 3D arrays with diffraction-limited spectral purity and 3D enzymatic arrays with increased activity.

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