Drukarki 3D nowej generacji. Tworzą budowle z cząsteczek DNA

Naukowcom udało się stworzyć niezwykłe trójwymiarowe struktury oparte na cząsteczkach DNA. Sposoby na ich konstruowanie odkrył i opisał Oleg Gang i jego współpracownicy z laboratorium inżynierii chemicznej na Columbia Engineering. "Możemy teraz budować złożone, trójwymiarowe organizacje z samoorganizujących się nanokomponentów" - wyjaśnia profesor. Inżynierowie w niedawno opublikowanych artykułach naukowych wyjaśniają szczegóły ich nowej metody.

Podczas gdy budowanie wielkich konstrukcji przyszło ludziom o wiele łatwiej - powstawały one już w starożytności - to tworzenie trójwymiarowych struktur o blokach budulcowych tak małych, że widać je tylko pod mikroskopem, wymaga już nie lada wiedzy i technologii. W jaki sposób można organizować nanokomponenty? Naukowcy odkryli nową metodę. Potrafią oni składać nanocząsteczki (cząstki o wielkości 1-10 nm) w uporządkowane struktury 3D. Wykorzystują do tego cząstki DNA, które służą za woksele (najmniejsze elementy w 3D analogiczne do pikseli w 2D), wraz z kierunkowymi, adresowanymi wiązaniami, które naukowcy programują.

"Poprzez identyfikację wewnętrznych symetrii w powtarzających się, mezoskalowych motywach strukturalnych określamy zbiór wokseli, nazywany mezowokselem, które są składane w docelowe kryształy 3D" - czytamy w abstrakcie nowego artykułu w Nature Materials. "Stosujemy tę strategię montażu do tworzenia okresowych, uporządkowanych organizacji trójwymiarowych nanocząstek, wliczając w to struktury z elementami niskowymiarowymi, motywami heliakalnymi (...) oraz rozproszonym reflektorem Bragga".

DNA jako woksel (najmniejsza "cegiełka" tej konstrukcji) przyjmuje kształt oktaedryczny z ośmioma ścianami i łącznikami na każdym wierzchołku. Poprzez kodowanie DNA naukowcy mogą układać te cząstki niczym puzzle 3D. To oczywiście duże uproszczenie, a bardziej trafną analogią mogłaby być zagadka logiczna.

Naukowcy przypominają, że już wcześniej udało się wykorzystać materiały oparte na DNA do tworzenia cegieł, dwuwymiarowych origami, tablic perforowanych, kratownic i kwazikryształów - wszystkich w skali nano. Umożliwiają to właściwości fizykochemiczne samych cząstek DNA, w których naukowcy mogą bezpośrednio kodować złożone architektury z wykorzystaniem wiązania Watsona-Cricka. Metodą nanoinżynieryjną naukowcy niejako przekładają zaprojektowane przez siebie kształty na kod "zrozumiały" dla DNA.

Istnieje tu analogia do druku 3D. Podobnie jak model 3D zaprojektowany w programie graficznym jest tłumaczony na kod maszynowy i instrukcje dla drukarki 3D, która drukuje obiekt fizyczny z tworzywa sztucznego, tak inżynierowie są w stanie pokierować cząstkami DNA i ich wiązaniami, by odwzorowały zaprojektowane przez nich struktury. Badacze nie korzystają jednak z popularnych edytorów 3D, lecz ze specjalistycznego algorytmu i oprogramowania Mapping Of Structurally Encoded aSsembly (MOSES), które bardziej przypomina programy typu CAD, tyle że operuje ono w nanoskali.

Co dalej? Czy takie nanomateriały oparte na DNA mają szansę się upowszechnić? "Jesteśmy na dobrej drodze do stworzenia całkowicie od podstaw platformy nanoprodukcji 3D. Postrzegamy to jako 'nową generację druku 3D' w nanoskali, ale teraz dzięki mocy opartej na DNA samoorganizacji możemy uruchomić potężną, równoległą produkcję" - dodaje profesor Gang.

Źródła:

• Kahn JS, Redeker DC, Michelson A, Tkachenko A, Hong S, Minevich B, Gang O. Arbitrary Design of DNA-Programmable 3D Crystals through Symmetry Mapping. ACS Nano. 2025 Apr 22;19(15):14795-14807. doi: 10.1021/acsnano.4c17408. Epub 2025 Apr 11. PMID: 40216379; PMCID: PMC12020415.
• Kahn, J.S., Minevich, B., Michelson, A. et al. Encoding hierarchical 3D architecture through inverse design of programmable bonds. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02263-1