Ang DNA Moiré Lattices ay Nagbibigay-daan sa Bagong Self-Assembling na Materyales

Metamaterial na Lattice

Isang bagong hangganan sa agham ng materyales ang pagbuo ng mga mikroskopikong estruktura sa mga lattice, mga komplikadong estruktura na may regular at paulit-ulit na pattern, kadalasang gawa sa mga nagkakrus na guhit o linya.

Ang mga estrukturang ito ay madalas na ganap na binabago ang mga katangian ng isang materyal, halimbawa, ginagawa itong mas matibay, mas nababaluktot, nagbabago ng pagninilaw, atbp.

Ang mga lattice na ito ay maaaring magkaroon ng iba’t ibang pangunahing hugis, halimbawa, parisukat, heksagonal na honeycomb, kagome, atbp.

Pinagmulan: Research Gate

Isang karagdagang posibilidad ay ang pagsasama ng 2 patong ng mga materyal na lattice, na lumilikha ng mas advanced na mga katangian na lampas sa potensyal ng mga indibidwal na patong. Halimbawa, tinalakay namin ang potensyal na superconductive na katangian ng isang twisted bilayer na gawa sa tungsten-selenium na materyal.

Isang katulad na uri ng materyal ang kamakailan lamang naimbento ng mga mananaliksik mula sa University of Stuttgart, Arizona State University, at Max Planck Institute.

Nilikha nila ang isang self-building na estruktura gamit ang mga molekulang DNA na maaaring magbago ng paraan ng pagkontrol natin sa ilaw, tunog, at mga elektron. Inilathala nila ang kanilang mga resulta sa prestihiyosong siyentipikong journal na Nature Nanotechnology¹, sa pamagat na “DNA moiré superlattices”.

Moiré Superlattice

Ang moiré superlattices ay mga artipisyal na materyal na nilikha sa pamamagitan ng pag-stack ng dalawang-dimensional (2D) na mga materyales na may maliit na anggulo ng pag-twist o hindi tugma na lattice.

Pinagmulan: Nature Nanotechnology

Ang hindi tugmang ito ay lumilikha ng karagdagang “super pattern”, na tinatawag ding moiré pattern, na iba sa elemental na pattern ng unang 2 lattice. Ang pakikipag-ugnayan ng ilaw o mga elektron sa moiré pattern ay nagbibigay ng mga bagong katangian sa materyal na ito.

Hanggang ngayon, ang mga moiré pattern sa agham ng materyales ay nabuo lamang sa 2 lubos na magkaibang sukat: alinman sa atomikong sukat, tulad ng halimbawa sa mga layer ng graphene (isang daang milyong bahagi ng sentimetro, o 0.1 nanometro), o sa mikroskopikong sukat (isang libong bahagi ng metro).

Pinagmulan: Nature Nanotechnology

Ang mga produktong ito ay karaniwang napakakomplikado gawin, na nangangailangan ng maingat na mga hakbang sa paggawa, tulad ng paglipat, pag-stack, pag-twist, at pag-align ng mga sublattice.

Gayunpaman, walang moiré superlattices sa isang gitnang sukat, na nasusukat sa nanometro. Ito ay hanggang ginamit ng mga mananaliksik ang DNA upang lumikha ng isa.

DNA Superlattice

Ang DNA ay isang napakaespesyal na uri ng maliit na molekula, dahil may likas na hilig itong mag-self-organize sa mga komplikadong pattern sa nanoskopikong antas. Isang ganitong estruktura ay ang DNA origami bundle, na binubuo ng magkakaugnay na DNA helices, na nagsilbing isa sa mga building block na ginamit ng mga mananaliksik.

Pinagmulan: Nature Nanotechnology

Ang ikalawang building block ay ang 2D DNA tile sublattices, na binubuo ng mga single-stranded tile (SSTs) na may hugis na parisukat, heksagonal na honeycomb, at kagome. Ginamit ang transmission electron microscopes (TEM) upang suriin ang regularidad at kalidad ng mga lattice structure.

Pinagmulan: Nature Nanotechnology

Gumamit ang mga mananaliksik ng DNA origami bundle bilang isang “seed”, kung saan ang isang mas malaking lattice ay maaaring natural na mag-self-organize. Ang iba’t ibang seed ay lumilikha ng iba’t ibang uri ng DNA lattice, na nagbibigay ng malaking kontrol sa huling hugis.

Pinagmulan: Nature Nanotechnology

Kapag ginawa, maraming mga lattice ang nagsanib, na lumilikha ng isang bilayer lattice na gawa sa mga molekulang DNA. Ang iba’t ibang kondisyon ng produksyon, kasama ang mga pagbabago sa seed at temperatura, ay nagbibigay ng limitadong kontrol sa proporsyon ng mga bilayer kumpara sa monolayer na lattice na nalikha.

Pinagmulan: Nature Nanotechnology

Pagsusuri ng DNA Bilayers at Trilayers

Gamit ang scanning electron microscopy (SEM), sinuri ng mga mananaliksik ang mga nanoscopic na bilayer na estruktura.

Ang parehong monolayer ay may sukat na ~39.0 nm ang taas at halos isang mikrometer ang lapad.

Pinagmulan: Nature Nanotechnology

Kapag ang mga twisted bilayer ay gumamit ng magkatulad na sublattice (square–square, kagome–kagome, at honeycomb–honeycomb), nagresulta ito sa halos kumpletong (ngunit hindi total) pag-overlap ng dalawang monolayer.

Ang mga kombinasyong ito ang nagbigay ng pinaka-kawili-wiling moiré pattern para sa mga bilayer, kumpara sa mga halo-halong pattern.

Pinagmulan: Nature Nanotechnology

Nagawa rin ng mga mananaliksik na lumikha ng mga trilayer pattern, na may mas komplikadong moiré pattern, na self-assembling din.

Pinagmulan: Nature Nanotechnology

Hindi ito nangangahulugang walang halo-halong layer na nagpapakita ng kawili-wiling pattern, tulad ng halimbawa, ang square‑kagome‑square na trilayer. Malamang na mas marami pang pattern ang maaaring likhain sa hinaharap gamit ang iba’t ibang seed at DNA structure, dahil ito lamang ang unang nalikhang nanoscopic na moiré pattern.

Pinagmulan: Nature Nanotechnology

Mas maraming kontrol sa pagbuo ng mga pattern ang maaaring paunlarin, at ang mga solusyon ay kasalukuyang iniisip na ng mga mananaliksik. Halimbawa, ang origami seed ay maaaring ilagay nang eksakto sa mga substrate gamit ang mga pamamaraan ng nanofabrication. Sa ganitong paraan, maaari itong ma-assemble sa mga nakatakdang lokasyon sa chip.

Mga Aplikasyon

Sa pangkalahatan, ang teknolohiyang ito ng paggawa ng self-assembling DNA lattices at bagong uri ng materyal ay maaaring magamit sa anumang larangan na nangangailangan ng eksaktong paggawa sa nanoskopikong antas.

Ito ay dahil halos perpektong kombinasyon ng mataas na spatial resolution, tumpak na addressability, at programmable symmetry.

Ang unang aplikasyon ng ganitong estruktura ay ang paggamit nito bilang scaffold sa nanoscopic na sukat. Halimbawa, maaaring ikabit dito ang mga fluorescent na molekula, metallic nanoparticles, o semiconductors sa mga pasadyang 2D at 3D na arkitektura.

Isa pang opsyon ay gawing matibay na framework ang multi-layer na mga lattice sa pamamagitan ng mga kemikal na modipikasyon.

Pagkatapos, maaari itong magamit bilang phononic crystals o mechanical metamaterials na may tunable vibrational responses, na may maraming potensyal na aplikasyon sa sensors at photonic computing.

Sa huli, maaaring magkaroon ang mga lattice ng mga katangian ng spin-selective electron transport, dahil kilala ang DNA na nagfi-filter ng mga elektron ayon sa kanilang spin (isang quantum na katangian).

“Hindi ito tungkol sa paggaya sa mga quantum material. Ito ay tungkol sa pagpapalawak ng espasyo ng disenyo at paggawa nitong posible na magtayo ng mga bagong uri ng istrukturadong materyal mula sa ibaba pataas, na may geometric control na nakabaon direkta sa mga molekula.”

Prop. Laura Na Liu – Direktor ng 2nd Physics Institute ng Stuttgart University

Pamumuhunan sa DNA at Nanoteknolohiya

Twist Biosciences

Ang kumpanya ay dalubhasa sa DNA synthesis, na ginagamit ang mga pamamaraan ng miniaturization mula sa industriya ng semiconductor, na nakakatipid ng oras at pera para sa mga mananaliksik.

Sa pamamagitan ng kanilang advanced na kakayahan sa DNA at RNA synthesis, maaaring mabilis na maging pangunahing tagagawa ng aptamer ang Twist kung lalago ang merkado para sa mga anti-clotting na produkto.

Bilang isang “neutral” na tagagawa na nakatuon sa pagbibigay ng pinakamahusay na nucleic acid sequences sa pinakamagandang presyo, maaari itong maging partner sa paggawa para sa anumang pharmaceutical company na nais i-komersyalisa ang kapaki-pakinabang na nucleic acids, tulad ng data storage o anti-clotting aptamers.

Noong Enero 2023, sinimulan ng kumpanya ang pagpapadala ng mga produkto mula sa kanilang kamakailang inilunsad na pangalawang pasilidad ng paggawa. Ang bagong pabrika ay dapat doblehin ang kapasidad ng produksyon ng Twist.

Nagtratrabaho rin ito sa paglikha ng imbakan ng datos batay sa DNA na maaaring gamitin upang protektahan ang datos, hiwalay sa mga elektronikong sistema. Kaya maaaring gamitin ang DNA mismo para sa mga advanced na teknolohiya ng pag-imbak ng datos.

Ang miniaturization na ito ay nagpapahintulot na bawasan ang dami ng reaksyon ng isang milyong beses habang pinapataas ang throughput ng isang libong beses, na nagbibigay-daan sa synthesis ng 9,600 genes sa isang solong silicon chip sa buong sukat.

Pinagmulan: Twist Biosciences

Bilang isang eksperto sa paggawa ng mga DNA product para sa industriyal na paggamit, maaaring makinabang nang malaki ang kumpanya kung magiging pangunahing kasangkapan ang DNA sa pagbuo ng mga nanostructure para sa industriya ng semiconductor, kemikal, at computing, maging ito man ay on-demand DNA chemicals, DNA-based data storage, DNA lattice, atbp.

Pinakabagong Balita at Pag-unlad ng Stock ng Twist Biosciences (TWST)

Pag-aaral na Binanggit

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