工程师将数千个纳米级分子设备精确定位

研究人员将超过3,000个发光的月亮状纳米级分子装置放入花状仪器中，以指示光的偏振。12个花瓣中的每个花瓣中的“月球”指向不同的方向，并且仅当被与其方向匹配的偏振光照射时才发光。最终结果是一朵花，随着照在其上的光的偏振旋转，花瓣的顺序发光。这朵花的距离小于人类头发的宽度，它证明了数千个分子可以可靠地定向在芯片表面上。

概念验证项目为分子与计算机芯片的集成铺平了道路。

工程师们开发了一种技术，使他们不仅可以将折叠的DNA分子形成的显微​​设备精确地放置在特定位置，而且可以特定位置。

作为概念验证，他们将3,000多个发光的月亮状纳米级分子装置排列到了花状仪器中，以指示光的偏振。12个花瓣中的每个花瓣都围绕着花朵的中心指向不同的方向，并且在每个花瓣中，大约有250个卫星与花瓣的方向对齐。因为每个月亮只有在被与其方向匹配的偏振光照射时才发光，所以最终结果是一朵花，当照在其上的光的偏振旋转时，其花瓣依次照亮。这朵花的距离小于人类头发的宽度，它证明了数千个分子可以可靠地定向在芯片表面上。

这种用于精确放置和定向基于DNA的分子设备的方法可能使使用这些分子设备来驱动新型芯片，这些芯片将分子生物传感器与光学和电子设备集成在一起，可用于DNA测序或测量数千个蛋白质的浓度等应用。一次。

这项研究是在2021年2月19日由科学杂志发表的，该研究以生物工程，计算和数学科学以及计算和神经系统研究教授Caltechs Paul Rothemund（BS 94）超过15年的工作为基础，和他的同事们。2006年，罗特蒙德（Rothemund）表明，可以通过称为DNA折纸的技术将DNA折叠成精确的形状。2009年，Rothemund和IBM Research Almaden的同事描述了一种技术，通过该技术可以将DNA折纸定位在表面上的精确位置。为此，他们使用了基于电子束的印刷工艺，并创建了具有与折纸相同尺寸和形状的“粘性”贴片。特别是，他们表明折纸三角形正好在三角形粘性贴片的位置上绑定。

接下来，Rothemund和Ashton Gopinath（以前是Caltech的高级博士后学者，现在是MIT的助理教授）完善和扩展了该技术，以证明由DNA折纸构造的分子设备可以可靠地集成到更大的光学设备中。Rothemund说：“技术障碍是如何将大量分子设备可重复地组织成用于芯片的各种材料上的正确图案。”

“星夜”的发光复制品包含65,536像素，是一角硬币的宽度。

2016年，罗特蒙德（Rothhemund）和戈皮纳斯（Gopinath）展示了带有荧光分子的三角形折纸可用于复制65,000像素版本的文森特·梵高星夜。在这项工作中，三角形的DNA折纸被用于在细菌大小的光学谐振腔内定位荧光分子。荧光分子的精确放置至关重要，因为向左或向右移动100纳米将使像素变暗或变亮五倍以上。

但是这项技术有一个致命弱点：“由于三角形是等边的，并且可以自由旋转和上下翻转，因此它们可以以六种不同方式中的任何一种平坦地粘在表面的三角形粘性贴片上。这意味着我们无法使用任何需要特定方向才能运行的设备。我们被困在朝上，朝下或沿任何方向都可以正常工作的设备上。” Gopinath说。用于DNA测序或蛋白质测量的分子设备绝对必须正面朝上，因此该团队的较早技术会破坏50％的设备。对于同样需要独特旋转方向的设备（例如晶体管），只有16％会起作用。

因此，要解决的第一个问题是使DNA折纸以正确的一面朝上可靠地着陆。罗特蒙德说：“这有点像保证吐司在倒在地板上时总是神奇地使黄油朝上。”令研究人员惊讶的是，在折纸的一侧涂上一层柔性DNA链地毯，可使其中95％以上的折纸面朝上着陆。但是控制旋转的问题仍然存在。研究人员首次尝试以三种不同边长的直角三角形尝试以首选旋转着陆的形状。

但是，在努力使仅40％的直角三角形指向正确的方向后，Gopinath招募了华盛顿大学的计算机科学家Chris Thachuk，他是科学论文的合著者，并且是前加州理工学院的博士后。英属哥伦比亚大学的大卫·科克帕特里克（David Kirkpatrick），也是科学（Science）论文的合著者。他们的工作是找到一个形状，无论其落在哪个方向上，它都只会卡在预期的方向上。计算机科学家的解决方案是一个带有偏心孔的磁盘，研究人员称之为“小卫星”。 数学证明表明，与直角三角形不同，小卫星可以平滑旋转以找到与其粘性斑块的最佳对齐而不会被卡住。实验室实验证明，超过98％的小卫星在其粘性斑块上找到了正确的方向。

然后，研究小组添加了特殊的荧光分子，这些分子将自身紧密地卡在小卫星的DNA螺旋中，垂直于螺旋的轴。这确保了月亮内的荧光分子都朝向相同的方向，并且在受到特定偏振光的刺激时会发出最明亮的光。Gopinath说：“每个分子似乎都带有一个小的天线，只有当光的极化与天线的方向匹配时，它才能最有效地接受光能。”这种简单的效果使偏振敏感花的构建成为可能。

利用用于控制DNA折纸的上下和旋转方向的可靠方法，现在可以将各种分子设备廉价地高收益地集成到计算机芯片中，以用于各种潜在应用。例如，罗特蒙德（Rothhemund）和戈皮纳斯（Gopinath）成立了一家名为Palamedrix的公司，以商业化用于制造半导体芯片的技术，该技术能够同时研究与人类健康相关的所有蛋白质。加州理工学院已为这项工作申请了专利。

参考：Ashwin Gopinath，Chris Thachuk，Anya Mitskovets，Harry A.Atwater，David Kirkpatrick和Paul W.K. Rothemund撰写的“单分子形状的绝对和任意方向”，Science.DOI：2021年2月19日。
10.1126 / science.abd6179
20181029-101527551

该论文的标题为“单分子形状的绝对和任意方向”。加州理工学院的合著者包括哈里·阿特沃特（Harry Atwater），霍华德·休斯（Howard Hughes）应用物理和材料科学教授以及前研究生安娜·密茨科维茨（Anna Mitskovets）（博士20）。这项工作得到了海军研究办公室，空军科学研究所，国家科学基金会，奥尔家族基金会，阿贝丁研究所和万津博士后奖学金的支持。