Ciência dos materiais

Redes de Moiré de DNA possibilitam novos materiais auto‑montáveis

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Lattice Metamaterials

Uma nova fronteira nas ciências dos materiais é a montagem de estruturas microscópicas em redes, estruturas complexas com um padrão regular e repetitivo, frequentemente feitas de tiras ou linhas cruzadas.

Essas estruturas costumam mudar completamente as propriedades de um material, por exemplo, tornando‑o muito mais forte, mais flexível, refletindo a luz de forma diferente, etc.

Essas redes podem ter diferentes formas básicas, por exemplo, quadrados, favo de mel hexagonal, kagome, etc.

Uma possibilidade adicional é combinar 2 camadas de materiais em rede, criando propriedades ainda mais avançadas que vão muito além do potencial das camadas individuais. Por exemplo, discutimos as potenciais propriedades supercondutoras de uma bilayer torcida feita de um material tungstênio‑selênio.

Um novo tipo semelhante de material foi agora inventado por pesquisadores da Universidade de Stuttgart, da Arizona State University e do Instituto Max Planck.

Eles criaram uma estrutura auto‑construtora usando moléculas de DNA que poderia revolucionar a forma como controlamos luz, som e elétrons. Eles publicaram seus resultados na prestigiosa revista científica Nature Nanotechnology1, sob o título “DNA moiré superlattices”.

Moiré Superlattices

Escala Exemplo de Material Tamanho Aproximado Método de Montagem
Atômica Bilayers de grafeno ~0,1 nm Empilhamento mecânico e torção
Nanoscópica Super‑redes de moiré de DNA ~40 nm DNA origami auto‑montável
Microscópica Cristais fotônicos ~1 µm Fabricação de precisão

Super‑redes de moiré são materiais artificiais criados ao empilhar materiais bidimensionais (2D) com um pequeno ângulo de torção ou descompasso de rede.

Esse descompasso cria um “super padrão” adicional, também chamado padrão moiré, diferente do padrão elementar das duas redes iniciais. As interações da luz ou dos elétrons com o padrão moiré conferem novas propriedades a esse material.

Até agora, padrões moiré na ciência dos materiais foram construídos apenas em 2 escalas radicalmente diferentes: ou na escala atômica, como por exemplo com camadas de grafeno (uma centésima de milionésimo de centímetro, ou 0,1 nanômetro), ou na escala microscópica (uma milésima de metro).

Esses produtos são geralmente muito complexos de produzir, exigindo etapas de fabricação meticulosas, como a transferência, empilhamento, torção e alinhamento de sub‑redes.

No entanto, não existiam super‑redes de moiré em uma escala intermediária, contada em nanômetros. Isso mudou quando esses pesquisadores usaram DNA para criar uma.

DNA Superlattices

O DNA é um tipo muito especial de molécula pequena, pois tem uma tendência natural de auto‑organizar‑se em padrões complexos na nanoescala. Uma dessas estruturas é um feixe de DNA origami, composto por hélices de DNA interconectadas, que formou um dos blocos de construção usados pelos pesquisadores.

O segundo bloco de construção foram as sub‑redes de ladrilhos de DNA 2D, compostas de ladrilhos de fita simples (SSTs), nas formas de quadrados, favo de mel hexagonal e kagome. Microscópios eletrônicos de transmissão (TEM) foram usados para verificar a regularidade e a qualidade das estruturas de rede.

Os pesquisadores usaram o feixe de DNA origami como uma “semente”, ao redor da qual uma rede muito maior poderia auto‑organizar‑se naturalmente. Sementes diferentes criam tipos diferentes de rede de DNA, permitindo grande controle sobre a forma final.

Quando produzidas, muitas dessas redes se misturaram, criando uma rede de bilayer feita de moléculas de DNA. Condições de produção diferentes, com variações nas sementes e na temperatura, permitem um controle limitado da proporção de redes bilayer versus monolayer produzidas.

Analisando DNA Bilayers e Trilayers

Usando microscopia eletrônica de varredura (SEM), os pesquisadores analisaram essas estruturas nanoscópicas de bilayer.

Ambas as monolayers medem ~39,0 nm de altura e cerca de um micrômetro de largura.

Quando as bilayers torcidas usaram sub‑redes idênticas (quadrado‑quadrado, kagome‑kagome e favo‑de‑mel‑favo‑de‑mel), resultou em uma sobreposição quase completa (mas não total) das duas monolayers.

Essas foram as combinações que produziram os padrões moiré mais interessantes para bilayers, comparados aos padrões mistos.

Os pesquisadores ainda conseguiram criar padrões de trilayer, com padrões moiré ainda mais complexos, que também são auto‑montáveis.

Isso não quer dizer que camadas mistas não exibam padrões interessantes, como, por exemplo, o trilayer quadrado‑kagome‑quadrado. Também é provável que mais padrões possam ser criados no futuro com sementes e estruturas de DNA diferentes, já que este é apenas o primeiro padrão moiré nanoscópico já criado.

 

Mais controle sobre o desenvolvimento desses padrões pode ser alcançado, e soluções já estão sendo consideradas pelos pesquisadores. Por exemplo, a semente de origami pode ser posicionada com precisão em substratos, usando métodos de nanofabricação. Dessa forma, poderia ser montada em locais predefinidos no chip.

Aplicações

No geral, essa tecnologia de fabricação de redes de DNA auto‑montáveis e de um novo tipo de material pode encontrar aplicação em qualquer campo que exija fabricação precisa na nanoescala.

Isso se deve em grande parte ao fato de que elas fornecem uma mistura quase perfeita de alta resolução espacial, endereçabilidade precisa e simetria programável.

A primeira aplicação de tal estrutura seria usá‑la como um andaime na escala nanoscópica. Por exemplo, poderia ter moléculas fluorescentes, nanopartículas metálicas ou semicondutores anexados a ela em arquiteturas 2D e 3D personalizadas.

Outra opção poderia ser transformar as redes de múltiplas camadas em estruturas rígidas por meio de modificações químicas.

Elas então poderiam ser reaproveitadas como cristais fonônicos ou metamateriais mecânicos com respostas vibracionais sintonizáveis, sistemas esses que têm muitas aplicações potenciais em sensores e computação fotônica.

Por fim, essas redes poderiam apresentar propriedades de transporte eletrônico seletivo por spin, já que o DNA é conhecido por filtrar elétrons de acordo com seu spin (uma característica quântica).

“Isso não se trata de imitar materiais quânticos. Trata‑se de expandir o espaço de design e tornar possível construir novos tipos de matéria estruturada de baixo para cima, com controle geométrico incorporado diretamente nas moléculas.”

Prof. Laura Na Liu – Diretora do 2º Instituto de Física da Universidade de Stuttgart

Investindo em DNA e Nanotecnologia

Twist Biosciences

TWST Gráfico de preços

A empresa se especializa em síntese de DNA, aproveitando métodos de miniaturização da indústria de semicondutores, economizando tempo e dinheiro para os pesquisadores.

Com sua avançada capacidade de síntese de DNA e RNA, a Twist poderia rapidamente se tornar uma grande fabricante de aptâmeros se o mercado de produtos anti‑coagulantes crescer.

Como produtora “neutra” focada em fornecer as melhores sequências de ácidos nucleicos ao melhor preço, poderia ser a parceira de fabricação preferida de qualquer empresa farmacêutica que deseje comercializar ácidos nucleicos úteis, como armazenamento de dados ou aptâmeros anti‑coagulantes.

Em janeiro de 2023, a empresa começou a enviar produtos de sua segunda instalação de fabricação recém‑lançada. A nova fábrica deve dobrar as capacidades de produção da Twist.

Também está trabalhando na criação de armazenamento de dados baseado em DNA que poderia ser usado para proteger dados, independentemente de sistemas eletrônicos. Portanto, talvez tecnologias avançadas de armazenamento de dados possam usar o próprio DNA.

Essa miniaturização nos permite reduzir os volumes de reação em um fator de 1 000 000 enquanto aumentamos o rendimento em um fator de 1 000, possibilitando a síntese de 9 600 genes em um único chip de silício em escala total.

Como a empresa é especialista na produção de produtos de DNA para uso industrial, poderia se beneficiar enormemente do DNA tornar‑se uma ferramenta chave na construção de nanostruturas para as indústrias de semicondutores, química e computação, seja em produtos químicos de DNA sob demanda, armazenamento de dados baseado em DNA, redes de DNA, etc.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Twist Biosciences (TWST)

Estudo Referenciado

1. Jing, X., Kroneberg, N., Peil, A. et al. DNA moiré superlattices. Nature. Nanotechnology. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01976-3 

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Jonathan é um ex-pesquisador bioquímico que trabalhou em análise genética e ensaios clínicos. Ele agora é um analista de ações e escritor de finanças com foco em inovação, ciclos de mercado e geopolítica em sua publicação The Eurasian Century.