[미국] 액체 표면 위에 전환 가능한 박막을 형성할 수 있는 새로운 나노입자
미국 연구진은 층의 특성을 쉽게 전환할 수 있는 액체 표면 위에 나노입자의 단일 층을 형성하는데 최초로 성공했다. 나노구조를 가진 박막의 조립을 이해함으로써, 가변적인 기계적 반응을 가진 멤브레인 또는 새로운 종류의 필터를 디자인하는데 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.
이번 연구진은 나노입자를 뭉치기 위해서 매우 작은 DNA 합성 사슬을 이용했기 때문에, 이 연구는 지질 멤브레인 근처의 DNA 분자와 나노입자의 상호작용을 고찰할 수 있는 새로운 통찰력을 제공한다. 따라서 세포 멤브레인을 통해서 유전자를 전달하기 위한 전달체로서 나노입자를 사용할 수 있게 한다.
이 연구는 DNA가 코팅된 나노입자가 지질 계면에서 어떻게 상호작용하고 재조직되는지를 보여주고 있다. 또한 이 프로세스가 (DNA와 연결된) 나노입자로 구성된 박막의 특성에 어떤 영향을 끼치는지를 보여준다. 이 연구는 Journal of the American Chemical Society에 6월 11일자로 게재되었고, 미 에너지부의 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory)의 연구진에 의해서 수행되었다.
생명체의 유전자 정보를 전달하는 분자와 같이, 합성 DNA 사슬은 염기가 특정 방향을 가질 때 쌍을 이루는 경향을 가지고 있다. 이번 연구에서는 합성 DNA 사슬이 나노입자를 결합하는 접착제로서 사용되었다. 이번 연구진은 다양한 3차원 구조를 조립하기 위해서 단일 합성 DNA 사슬로 코팅된 나노입자에 인력을 가했다. 이 연구의 목적은 한 개의 원자 두께의 2차원 박막을 디자인하는데 이 방법을 사용할 수 있는지를 관찰하는 것이다.
나노입자는 광학적 코팅, 광발전 장치, 자기적 저장 장치 등과 같은 많은 분야에 적용될 수 있다. 이번 연구진은 유체 표면 위에 그들을 부유하게 하기 위해서 나노입자를 조립했지만, 이런 단일층 어레이는 고정되었다. DNA 결합 분자를 사용하는 것은 나노입자 간의 상호작용을 제어할 수 있는 방법을 제공한다. 이번 연구진은 서로 다른 구조를 가진 단일층을 달성하기 위해서 이 방법을 사용했다.
표면이 강한 양전하를 가질 때, 이것은 나노입자가 코팅된 음으로 대전된 DNA 사슬을 끌어당긴다. 음으로 대전된 DNA 분자 간의 정전기적 인력 및 척력은 상보적인 DNA 염기 간의 인력을 압도한다. 염을 첨가하는 것은 상호작용을 변화시키고 대전된 DNA 사슬 간의 척력을 극복하는데, 이것은 나노입자가 서로 더 가깝게 연결되도록 해서 실과 같은 어레이를 형성하게 한다. 물론 더 많은 염을 첨가하면 메시(mesh)와 같은 더 탄성을 가진 고체 층을 형성한다.
상전이 메커니즘은 명확하지 않았고, 척력-인력 상호작용을 알 수 없었다. 이론적인 도움으로, 이번 연구진은 유연한 DNA 사슬 간의 집단적인 효과가 존재한다는 것을 밝혀내었다. 이것은 입자 크기와 DNA 사슬 크기가 서로 유사할 때만 단지 가능했다.
이 연구의 일환으로서, 이번 연구진은 X-선 산란을 이용해서 액체 층의 상단 위에 존재하는 서로 다른 나노입자의 구성을 조사했다. 또한 이번 연구진은 현미경을 사용해서 이것을 가시화할 수 있도록 각각의 염 농도에서 생성된 단일 층을 고체 표면 위에 전사시켰다.
액체 계면에 이런 입자 단일층을 생성하는 것은 매우 효과적이다. 이런 입자들은 표면에 쉽게 고착될 수 있다. 전환 가능한 단일층의 특성은 정제와 분리에 사용되는 멤브레인 또는 액체 계면을 통해서 분자 또는 나노크기 물체의 전달을 제어하는 분야에 특히 유망할 것이다.
합성 DNA 코팅된 나노입자가 지질 표면과 어떻게 상호작용할 수 있는지를 이해하는 것은 유전자로 코팅된 이러한 입자들이 세포 멤브레인과 어떻게 상호작용을 하는지에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있다. 이 연구는 세포 내의 유전자를 검출하기 위해서 DNA 코팅된 나노입자를 사용했다. 이번 연구진은 X-선 산란을 이용해서 DNA-입자/지질 계면을 직접적으로 조사했다. 이 연구결과는 Journal of the American Chemical Society에 “Two-Dimensional DNA-Programmable Assembly of Nanoparticles at Liquid Interfaces”라는 제목으로 게재되었다
그림. 양으로 대전된 계면에서 DNA 기능화된 나노입자의 조립을 보여주는 구조도. (a) DNA 사슬 간의 정전기적 반발력에 의해서 지배되는 상호작용, (b) 나노입자 간의 상호작용으로 변화될 수 있는 2차원 조립
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 6월 17일]
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DNA-linked nanoparticles form switchable 'thin films' on a liquid surface
Scientists seeking ways to engineer the assembly of tiny particles measuring just billionths of a meter have achieved a new first the formation of a single layer of nanoparticles on a liquid surface where the properties of the layer can be easily switched. Understanding the assembly of such nanostructured thin films could lead to the design of new kinds of filters or membranes with a variable mechanical response for a wide range of applications.
In addition, because the scientists used tiny synthetic strands of DNA to hold the nanoparticles together, the study also offers insight into the mechanism of interactions of nanoparticles and DNA molecules near a lipid membrane. This understanding could inform the emerging use of nanoparticles as vehicles for delivering genes across cellular membranes.
"Our work reveals how DNA-coated nanoparticles interact and re-organize at a lipid interface, and how that process affects the properties of a "thin film" made of DNA-linked nanoparticles," said physicist Oleg Gang who led the study at the Center for Functional Nanomaterials (CFN) at the U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory.
The results will be published in the June 11, 2014 print edition of the Journal of the American Chemical Society ("Two-Dimensional DNA-Programmable Assembly of Nanoparticles at Liquid Interfaces"). Schematic illustration of the assembly of DNA-functionalized nanoparticles (NPs) at positively charged interfaces. (a) In the absence of salt, interactions are dominated by the electrostatic repulsion between DNA chains. (b) The 2D assemblies can be altered by programming the interactions between the NPs. By introducing monovalent salt, an attractive interaction between the NPs is switched ON, due to DNA hybridization.
Change in interaction between NPs provides the path to tune the structure of the 2D assemblies at the interface. Like the molecule that carries genetic information in living things, the synthetic DNA strands used as "glue" to bind nanoparticles in this study have a natural tendency to pair up when the bases that make up the rungs of the twisted-ladder shaped molecule match up in a particular way.
Scientists at Brookhaven have made great use of the specificity of this attractive force to get nanoparticles coated with single synthetic DNA strands to pair up and assemble in a variety of three-dimensional architectures. The goal of the present study was to see if the same approach could be used to achieve designs of two-dimensional, one-particle-thick films. "Many of the applications we envision for nanoparticles, such as optical coatings and photovoltaic and magnetic storage devices, require planar geometry," said Sunita Srivastava, a Stony Brook University postdoctoral researcher and the lead author on the paper.
Other groups of scientists have assembled such planes of nanoparticles, essentially floating them on a liquid surface, but these single-layer arrays have all been static, she explained. "Using DNA linker molecules gives us a way to control the interactions between the nanoparticles." As described in the paper, the scientists demonstrated their ability to achieve differently structured monolayers, from a viscous fluid-like array to a more tightly woven cross-linked elastic mesh and switch between those different states by varying the strength of the pairing between complementary DNA strands and adjusting other variables, including the electrostatic charge on the liquid assembly surface and the concentration of salt.
When the surface they used, a lipid, has a strong positive charge it attracts the negatively charged DNA strands that coat the nanoparticles. That electrostatic attraction and the repulsion between the negatively charged DNA molecules surrounding adjacent nanoparticles overpower the attractive force between complementary DNA bases.
As a result, the particles form a rather loosely arrayed free-floating viscous monolayer. Adding salt changes the interactions and overcomes the repulsion between like-charged DNA strands, allowing the base pairs to match up and link the nanoparticles together more closely, first forming string-like arrays, and with more salt, a more solid yet elastic mesh-like layer. "The mechanism of this phase transition is not obvious," said Gang. "It cannot be understood from the repulsion-attraction interactions alone. With the help of theory, we reveal that there are collective effects of the flexible DNA chains that drive the system in the particular states. And it is only possible when the particle sizes and the DNA chain sizes are comparable on the order of 20-50 nanometers," he said.
As part of the study, the scientists examined the different configurations of the nanoparticles on top of the liquid layer using x-ray scattering at Brookhaven's National Synchrotron Light Source (NSLS). They also transferred the monolayer produced at each salt concentration to a solid surface so they could visualize it using electron microscopy at the CFN. "Creating these particle monolayers at a liquid interface is very convenient and effective because the particles' two-dimensional structure is very 'fluid' and can be easily manipulated?unlike on a solid substrate, where the particles can easily get stuck to the surface," Gang said.
"But in some applications, we may need to transfer the assembled layer to such a solid surface. By combining the synchrotron scattering and electron microscopy imaging we could confirm that the transfer can be done with minimal disruption to the monolayer." The switchable nature of the monolayers might be particularly attractive for applications such as membranes used for purification and separations, or to control the transport of molecular or nano-scale objects through liquid interfaces.
For example, said Gang, when particles are linked but move freely at the interface, they may allow an objecta molecule to pass through the interface. "However, when we induce linkages between particles to form a mesh-like network, any object larger than the mesh-size of the network cannot penetrate through this very thin film. " "In principle, we can even think about such on-demand regulated networks to adjust the mesh size dynamically.
Because, of the nanoscale size-regime, we might envision using such membranes for filtering proteins or other nanoparticles," he said. Understanding how synthetic DNA-coated nanoparticles interact with a lipid surface may also offer insight into how such particles coated with actual genes might interact with cell membranes which are largely composed of lipids and with one another in a lipid environment.
"Other groups have considered using DNA-coated nanoparticles to detect genes within cells, or even for delivering genes to cells for gene therapy and such approaches," said Gang. "Our study is the first of its kind to look at the structural aspects of DNA-particle/lipid interface directly using x-ray scattering. I believe this approach has significant value as a platform for more detailed investigations of realistic systems important for these new biomedical applications of DNA-nanoparticle pairings," Gang said.
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