Разработана 3D-печать будущего — нужны лишь ДНК и вода
Вместо стали и бетона профессор химической инженерии Олег Ганг и его коллеги из Колумбийского университета используют ДНК —, но не в привычном нам смысле, как генетический материал, а как строительный. Ученые программируют молекулы так, чтобы они самоорганизовались в сложные трехмерные формы, способные выполнять конкретные функции. Такие миниатюрные конструкции собираются сами по себе в воде, как бы «вырастая» из раствора, и при этом не требуют традиционного поэтапного производства, что экономит ресурсы и делает процесс экологически безопасным.
Инновационная технология позволяет превратить ДНК в управляемые строительные блоки — так называемые воксели, каждая грань которых соединяется с гранями соседних блоков с помощью заданной последовательности нуклеотидов. Этот процесс напоминает сборку трехмерного паззла, в котором каждое звено точно соответствует своему месту. Команда разработала алгоритм под названием MOSES, который определяет, какие воксели нужны для создания конкретной иерархически организованной наноструктуры. Этот подход — результат обратного проектирования: в нем сначала задается нужная форма и функция будущего объекта, а затем система сама рассчитывает, как «разложить» ее на молекулярные компоненты.
Новизна подхода заключается в способности собирать сложнейшие 3D-структуры одновременно, в параллельном режиме. В отличие от фотолитографии, которая требует поэтапного нанесения слоев, или 3D-печати, ограниченной по разрешению, ДНК-самоорганизация позволяет создавать наноматериалы с беспрецедентной точностью. Команда уже продемонстрировала несколько прототипов: от кристаллов, имитирующих структуру солнечных панелей, до спиральных решеток и устройств, отражающих свет определенным образом. Одно из таких устройств, созданное в сотрудничестве с профессором Колумбийского университета Нанфаном Ю, было разработано для будущих оптических компьютеров. Для достижения нужных свойств в воксели внедряли золотые наночастицы, что придавало им уникальные оптические характеристики.
После сборки структуры могут быть «обработаны» — например, покрыты слоем кремнезема и обожжены для удаления органической основы, в результате чего получается прочный, полностью неорганический материал. Это позволяет создавать не только хрупкие лабораторные образцы, но и реальные устройства, пригодные для промышленного применения. Недавний прототип — 3D-сенсор света, интегрированный в микрочип, разработанный совместно с учеными из Университета Миннесоты, — стал первым шагом к использованию ДНК-архитектуры в электронике.
По мнению Ганга, новая платформа позволит создавать поистине уникальные материалы с заданными биологическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Ученый надеется, что в скором будущем на основе этой методики можно будет создать трехмерную структуру, имитирующую сложные соединения в человеческом мозге, — тем самым приблизившись к созданию нейроморфных вычислительных систем. Эти работы уже подтверждаются не только визуализацией с помощью электронных микроскопов и рентгеновского рассеяния, но и расчетами профессора Саната Кумара, который математически доказал жизнеспособность разработанного метода.
Тем временем ученые уже пишут искусственный геном человека: узнайте, в чем риски и перспективы этого грандиозного проекта.
