物理学者が粒子の自己組織化の仕組みを発見

物理学者が粒子の自己組織化の仕組みを発見 物理

物理学者のチームは、DNA分子が組み立ての指示に応じて自己組織化し、粒子間の接着パッチを形成する仕組みを発見しました。

自然界の法則を利用して「スマートマテリアル」を作ることができる

物理学者のチームは、DNA分子が組み立ての指示に応じて自己組織化し、粒子間の接着パッチを形成する仕組みを発見した。

この発見は、粒子間の接続性が明確に定義された材料を製造する革新的な方法の「概念実証」となります。

本研究成果は、米国科学アカデミー紀要(PNAS)に掲載されました。

ニューヨーク大学物理学科の教授で研究者の一人であるJasna Brujic氏は、「私たちは、粒子をプログラムすることで、特性をカスタマイズした構造体を作ることができることを示しています。建物を建設する際には、クレーンやドリル、ハンマーなどを人間が制御しなければなりませんが、今回の研究では、物理学を利用して、自分自身を組み立てる方法を『知っている』スマートな材料を作ることができることを明らかにしました。」と説明しています。

科学者たちは長い間、分子の自己組織化の方法を模索し、さまざまな分野で画期的な成果を上げてきました。

しかし、小さな粒子があらかじめプログラムされた数の結合で自己組織化する方法はあまり開発されていません。

この問題を解決するために、Brujic氏は、ニューヨーク大学物理学部の博士研究員Angus McMullen氏とイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の機械科学・工学教授Sascha Hilgenfeldt氏と共同で、粒子表面でのDNA分子の挙動を捉え、操作する一連の実験を行いました。

この実験では、粒子の大きさをホコリの25分の1というミクロンレベルに設定し、小さな液滴を液体の中に沈めました。

この液滴には、『DNAリンカー』と呼ばれる、「粘着性のある末端」を持つ分子ツールが付着しており、これを混ぜ合わせることで、研究者が望むさまざまな構造を形成することができました。

「この方法の優れた点は、特定の材料の特性をプログラムできることです。例えば、弾力性のあるもの、脆いもの、さらには、結合が可逆的に作られたり壊されたりすることで、いったん壊れても自己修復する力を持つものなどができます。作成者は、5個の粒子で1個しかくっつかないもの、10個の粒子で2個くっつくもの、20個の粒子で3個くっつくものなど、さまざまな組み合わせを決めることができます。そうすれば、特定のトポロジーや構造を持つ材料を作ることができます。」とBrujic氏は語ります。

室温では、青い粒子が最初に3つの赤い粒子と結合して原子価を満たす様子を示すビデオスチル。加熱すると結合が切れるが、冷却すると再び3つの赤いパートナーを見つけ、結合の数を「選択」していることがわかります。この結果から、粒子間のDNA結合は可逆的で、価数を最適化するために粒子表面で再編成されることが示唆されました。©Angus McMullen/NYU’s Department of Physics

Published by New York University. DNA self-organization controls valence in programmable colloid design, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2112604118