物理学家发现DNA分子是如何自组装的:利用自然法则创造“智能材料”

一组物理学家已经发现了方法DNA分子根据组装指令自组织成粒子之间的粘附斑块。它的发现为一种创新方法提供了“概念证明”，这种方法可以生产出粒子之间具有明确连接性的材料。

这项工作被报道在美国国家科学院院刊．

“我们证明，人们可以对粒子进行编程，使其具有定制的属性，形成定制的结构，”加州大学的教授Jasna Brujic解释说纽约大学他也是研究人员之一。“在建造建筑时，起重机、钻头和锤子必须由人类控制，而这项工作揭示了人们如何利用物理学来制造‘知道’如何组装自己的智能材料。”

科学家们长期以来一直在寻找分子自我组装的方法，并在许多方面取得了突破。然而，尚不成熟的措施，这些微小粒子自组装与预先编程的键的数量。

视频显示，一个蓝色粒子最初与三个红色粒子结合，在室温下满足其价态。加热时，这些键会断开，但冷却后，粒子再次找到三个红色伙伴，这表明粒子“选择”了它所形成的键的数量。他们的结果表明，粒子之间的DNA键是可逆的，并在粒子表面重新排列以优化价。资料来源:安格斯·麦克马伦/纽约大学物理系

为了解决这个问题,Brujic和她的同事们,安格斯McMullen,博士后在纽约大学的物理系,Sascha Hilgenfeldt,机械科学与工程教授伊利诺伊大学香槟分校进行了一系列的实验来捕获和操纵行为在粒子表面的DNA分子。

他们在微米的水平下工作——粒子只有尘埃大小的1/25——将微小的水滴浸入液体溶液中。附着在这些液滴上的是“DNA连接器”——具有“粘性末端”的分子工具，可以混合和匹配，形成研究人员想要的一系列结构。

Brujic说:“这个过程的美妙之处在于，我们可以对特定材料的属性进行编程，使其具有弹性或脆性，甚至在断裂后具有自愈能力，因为键是可以形成和断裂的，而且是可逆的。”“发明者可以决定放入5个粒子，10个粒子，2个粒子，20个粒子，或者其他任何组合。这将允许你建造具有特定拓扑结构的材料。”

参考文献:“DNA自组织控制可编程胶体设计中的效价”，2021年11月2日，美国国家科学院院刊．
DOI: 10.1073 / pnas.2112604118

国家自然科学基金(NSF DMR-1420073、NSF PHY17-48958和NSF DMR-1710163)材料研究科学与工程中心(MRSEC)项目资助。