Xây dựng những cấu trúc nano 3D phức tạp từ gạch ADN

Một kĩ thuật mới tạo ra những cấu trúc nano 3D phức tạp cao bằng cách lắp gép những “viên gạch” ADN tổng hợp với nhau vừa được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Harvard ở Mĩ. Những viên gạch ấy giống hệt như những mảnh ghép LEGO nhỏ xíu, có thể lắp ráp thành nhiều hình thể đa dạng, nghĩa là chúng có thể được sử dụng để chế tạo những cấu trúc nano được thiết kế tỉ mỉ. Những cấu trúc thu được có thể có nhiều ứng dụng đa dạng, ví dụ như các dụng cụ y khoa thông minh để phân phối thuốc trong cơ thể, những thiết bị ghi ảnh có thể lập trình và thậm chí trong sản xuất những mạch chip vi tính mạnh hơn và nhanh hơn.

Công nghệ nano ADN đã có lịch sử gần 30 năm, nhưng nó chỉ thật sự cất cánh cùng với sự xuất hiện của một kĩ thuật gọi là “origami” ADN. Kĩ thuật này, đặt theo tên của nghệ thuật xếp giấy nổi tiếng của Nhật Bản và được phát triển lần đầu tiên vào năm 2006 bởi Paul Rothemund tại Viện Công nghệ California, xếp những chuỗi ADN dài thành nhiều hình dạng đa dạng được dự tính trước. Những cấu trúc nano thu được có thể dùng giàn đệm hoặc những bảng mạch điện tử nhỏ xíu để lắp ráp chính xác các bộ phận như ống nano carbon hoặc dây nano.

Mặc dù có ưu điểm lớn trong việc tạo ra những hình dạng 2D lẫn 3D, những origami ADN có những hạn chế của nó. Để xếp ADN, người ta phải thêm vài trăm cái “đinh ghim” vào những vùng xung quanh từng chuỗi ADN, và mỗi loại cấu trúc nano mới đòi hỏi một bộ đinh ghim mới. Hơn nữa, các cấu trúc ADN có xu hướng tự sắp xếp ngẫu nhiên lên bề mặt chất nền, nên khó tích hợp chúng vào các mạch điện tử sau đó.

Những viên gạch-ADN mới có thể tạo ra nhiều hình dạng 3D đa dạng. Mỗi viên gạch mang một chuỗi riêng của nó và chỉ ráp khớp với vị trí được thiết kế trước của nó. (Ảnh: Yonggang Ke)

Những viên gạch cơ bản

Một đội nghiên cứu đứng đầu là Peng Yin tại Harvard lần đầu tiên đưa ra kĩ thuật tự lắp ráp gạch-ADN hồi đầu năm nay. Thay vì bắt đầu với những chuỗi ADN dài, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc đan cài những chuỗi ADN tổng hợp, ngắn với nhau để tạo ra những cấu trúc lớn hơn. Thật vậy, họ đã sắp xếp được những chuỗi ngắn đó thành một miếng “vải bạt phân tử” bằng cách điều khiển sự tương tác cục bộ giữa các dây. Kĩ thuật giống với mọi phương pháp tự lắp ráp ADN khác, hoạt động bằng cách khai thác thực tế bốn cặp baser trong ADN – adenosine, thymine, cytosine và guanine – được lập trình tự nhiên để nối lại theo những kiểu nhất định: A chỉ nối với T, trong khi C chỉ nối với G. Cho nên, đội nghiên cứu đã có thể tạo ra một tập hợp gồm những cấu trúc 2D sử dụng kĩ thuật của họ bằng cách xếp chồng một viên gạch ADN dài 42 baser lên một viên gạch khác.

Những hình dạng 3D

Yin và các đồng sự vừa mở rộng kĩ thuật của họ sang 3D. Các nhà nghiên cứu bắt đầu với một chuỗi gạch-ADN còn nhỏ hơn nữa – chỉ dài 32 baser – chứa bốn vùng có thể nối với bốn chuỗi gạch-ADN lân cận. Các viên gạch có thể nối với nhau 90^o và vì thế có thể hình thành tỏng cả ba chiều – trên, dưới, và hướng ra – để tạo ra một khối lập phương vải bạt phân tử ADN “đầu sỏ” chứa hàng trăm viên gạch. So với những cấu trúc LEGO ghép bằng tay, thì mỗi cấu trúc ADN tự lắp ráp là nhờ thực tế mỗi viên gạch được mã hóa với một chuỗi riêng xác định vị trí cuối cùng của nó trong cấu trúc nano. Mỗi chuỗi sẽ chỉ gắn với một chuỗi bù khác, nghĩa là có thể tạo ra những hình dạng nhất định qua sự chọn lọc những chuỗi khác nhau.

Ưu điểm lớn nhất của kĩ thuật gạch-ADN mới là có thể tạo ra vô số cấu trúc một cách đơn giản từ cùng một khối đầu sỏ bằng cách chọn lọc các tập con của những viên gạch ADN nhất định. “Chúng tôi đã tạo ra hơn 100 hình dạng khác nhau theo cách này (với một số hình chứa những khoảng trống, những chi tiết bề mặt và các kênh phức tạp), tất cả trong số đó đều phức tạp hơn bất kì cấu trúc ADN 3D nào từng được xây dựng trong thập niên trước. Ngoài ra, có thể bổ sung thêm, loại bỏ bớt hoặc sửa chữa các viên gạch ADN một cách độc lập mà không ảnh hưởng đến những phần khác của cấu trúc,” Yin nói.

Những cấu trúc phức tạp

Các nhà nghiên cứu khẳng định những cấu trúc phức tạp có thể chế tạo bằng kĩ thuật lắp ráp gạch-ADN của họ sẽ giúp phát triển những ứng dụng công nghệ nano ADN hiện có. Ngoài ra, các cấu trúc gạch-ADN còn hoàn toàn là tổng hợp, tỏng khi origami ADN mang tính nửa sinh học. Đặc tính này sẽ đưa đến tiềm năng ứng dụng rộng lớn hơn. “Chẳng hạn, bằng cách sử dụng các polymer tổng hợp thay cho dạng tự nhiên của ADN, chúng ta có thể tạo ra những cấu trúc chức năng hoạt động bền trong những môi trường đa dạng hơn,” Yin nói.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science.

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com