2009-08-19

來自 DNA 的奈米級摺紙術

Nanoscale origami from DNA
http://www.physorg.com/news168787205.html

August 6th, 2009

來自(德國)Technische Universitaet Muenchen (TUM) 與哈佛大學的科學家揭露一種新的工具箱(toolbox)可從 DNA 建造奈米級結構,同時具有複雜的扭轉與彎曲形狀。在 8/7 當期的 Science 上,他們報告一系列實驗,在其中他們如摺紙(origami)般將 DNA 摺成一系列三維物體,包括如海灘球外形的線框囊狀物(wireframe capsule),直徑只有 50 奈米。

"我們的目標是找出我們能否將 DNA 編程(program)以組裝出展現自訂曲率或扭轉的形狀,同時僅有幾奈米寬," 生物物理學家 Hendrik Dietz 表示,Technische Universitaet Muenchen 的一教授。Dietz 在這些實驗中的同僚是哈佛的 William Shih 教授以及 Shawn Dougla 博士。"那有效," 他說,"而我們現在能建立種種三維奈米級機械部件,例如圓形齒輪或彎曲的管狀物或囊狀物。將這些部件組裝成一個更大、更複雜且有用的裝置應有可能。"

身為奈米級工程的媒介,DNA 在做為一種聰明材料(smart material)上具有雙重優勢 -- 不僅堅韌、有彈性而且可程式化(programmable) -- 且研究數十年後,其特性已描述的非常完善。Dietz、Douglas 與 Shih 所用的是可程式化的、自我組裝的基本工具 -- 指導各股 DNA 形成具自訂形狀的交叉連接雙螺旋束(bundles) -- 而已瞄準的(targeted)鹼基對插入或刪除能賦予這種 DNA 束想要的扭轉或彎曲。右手或左手的扭轉也可指定。他們報告達成這些形狀精確、定量的控制,其曲率半徑只有 6 奈米這麼密。

他們所開發的工具箱包括一套圖形程式,那協助將特定設計改念轉換成實現它們所需要的 DNA 編程(programming)。三維形狀的製造是透過這些螺旋體數量、排列與長度的「調整」。在他們目前的論文中,研究者們呈現各式各樣奈米級的結構,並詳述他們如何設計、成形與驗證它們。"許多先進的巨觀機械需要形狀奇怪的部件才能運作," Dietz 說,"而我們有製造它們的工具。但我們目前無法建造某些複雜精密的東西,例如螞蟻的腳或,更小的,十奈米這麼小的化學工廠,例如一個蛋白酵素。只有當我們利用可在我們身體細胞內強健運作的材料 -- 例如 DNA 這樣的生物分子 -- 在奈米尺度下建造超微小化裝置時,我們才能期待有許多優勢。"



◆ DNA電腦晶片 更小更強更省電

中國時報 2009-08-18 【潘勛/綜合十七日外電報導】

美國電腦研究專家表示,他們已找到利用去氧核醣核酸(DNA)分子技術製造下一代微晶片的方法,而以DNA分子取代傳統的矽元素來造出微電路,可讓晶片變得更小,功能更強,也更省電。但專家也表示,這種晶片要進入商業量產,至少還要好幾年。

美國IBM公司與加州理工學院專家羅斯蒙德合作;羅斯蒙德幾年前便判定,DNA分子可以「自我組合」成微小形狀,如三角形、正方形及星形。借用DNA的天然能力,可以吸收大量的複雜資訊,轉而運用在其他類型的活動。

IBM公司研究許多方法,讓DNA在晶片表面自組成圖案,然後充當某種「支架」,再用數百萬奈米碳管及奈米粒子沉積上去。IBM科學家表示,如此奈米碳管及奈米粒子形成的新網絡,可以充當未來電腦晶片的線路及電晶體。

具體而言,科學家先以傳統晶片技術蝕刻所需的電路圖形,再將DNA溶液倒在矽晶表面,此時DNA會依蝕刻的電路圖形自我組合成微小的三角形、正方形,這種能力,科學家稱之為「DNA的摺紙技術」(DNA origami)。如能將這些微小的DNA摺紙技術放置在晶圓表面,那麼科學家便能利用DNA的特性,製作出奈米電路板。

這篇論文發表在最新《自然奈米科技》期刊。過去數十年,矽晶技術不斷微縮,將更小的線路蝕刻在晶片表面,以增進速度表現,同時減少電力消耗。目前最先進的電腦晶片是用四十五奈米製程製造,但再過幾年,要降到廿二奈米以下便瀕臨矽晶材料的物理極限,將變得更為困難、昂貴。

※ 相關報導:

* Folding DNA into Twisted and Curved Nanoscale Shapes
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/325/5941/725

Hendrik Dietz, Shawn M. Douglas, William M. Shih
Science 7 August 2009: Vol. 325. no. 5941, pp. 725 - 730
doi: 10.1126/science.1174251

* Placement and orientation of individual DNA shapes on lithographically patterned surfaces
http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2009.220

Ryan J. Kershner, Luisa D. Bozano, Christine M. Micheel,
Albert M. Hung, Ann R. Fornof, Jennifer N. Cha,
Charles T. Rettner, Marco Bersani, Jane Frommer,
Paul W. K. Rothemund & Gregory M. Wallraff
Nature Nanotechnology Published online: 16 August 2009
doi: 10.1038/nnano.2009.220
* Small Times - IBM: DNA "scaffolding" builds tiny circuit boards
http://www.smalltimes.com/articles/stm_print_screen.cfm?ARTICLE_ID=367917

分子因 DNA 串的聚合反應而自動推進
黃金標準:使用奈米粒子製造3D DNA 奈米管
DNA 裝配線建構奈米粒子簇
相機閃光讓絕緣材料變導體(石墨烯)
互斥光力:提供「推進」的力量
夜視奧祕之一在於DNA 不尋常的結構

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