ADN có khả năng đóng vai trò như một vật liệu nền được lập trình, và có thể dẫn đến một thế hệ các thiết bị nano hoàn toàn mới có tính cách mạng với những ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học máy tính, soi kính hiển vi, sinh học và nhiều lĩnh vực ứng dụng khác. Các nhà nghiên cứu đã cố gắng tìm cách để kích thích các phân tử ADN tự lắp ráp theo các hình dạng và kích thước chính xác cần thiết để có thể hiện thực hóa các ước mơ công nghệ nano của mình.
Trong 20 năm gần đây, các nhà khoa học đã tập trung nỗ lực vào việc thiết kế các tinh thể ADN lớn với các đặc điểm phức tạp và độ dầy chính xác theo mong muốn, và một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc Viện Ứng dụng sinh học sáng tạo Wyss (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) thuộc Đại học Harvard đã đáp ứng được yêu cầu thiết kế đó. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo được 32 tinh thể ADN có độ dầy chính xác và sự sắp xếp 3D phức tạp, công trình nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Nature Chemistry.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp "tự sắp xếp các mảnh ghép ADN" (DNA–brick self–assembly), phương pháp này đã được công bố lần đầu tiên trên Tạp chí Science vào năm 2012, khi đó họ đã chế tạo được hơn 100 cấu trúc nano 3D phức tạp về kích thước của các virus. Các cấu trúc tinh thể tuần hoàn mới được chế tạo lớn hơn gấp 1000 lần so với các cấu trúc mảnh ghép ADN rời rạc trước kia, kích thước này to gần bằng một hạt bụi và được cho là khá lớn trong thế giới công nghệ ADN nano.
Các nhà khoa học đã cố tìm cách kết tinh các cấu trúc ADN nano 3D phức tạp sử dụng các phương pháp tự lắp ráp thông thường. Khả năng sai hỏng có xu hướng gia tăng cùng với độ phức tạp của các đơn vị lắp ráp lặp lại và với kích thước của tinh thể ADN cần lắp ráp.
Phương pháp ghép mảnh ADN sử dụng các sợi ADN tổng hợp ngắn, ghép lại với nhau giống như các mảnh ghép trong trò chơi xếp hình Lego để tạo nên các cấu trúc phức tạp. Các mẫu thiết kế trước đó đã được lập trình sử dụng một mô hình khối vuông phân tử trên máy tính để tạo thành hình mẫu tổng thể. Mỗi một mảnh ghép được thêm vào hoặc bỏ đi một cách độc lập để có thể tạo ra hình dạng mong muốn, và sau đó thiết kế được áp dụng bằng cách để cho các sợi ADN tương thích trộn lẫn với nhau và chúng tự lắp ráp để đạt được cấu trúc tinh thể mong muốn.
Theo đồng tác giả công trình nghiên cứu, tiến sĩ Yonggang Ke nguyên là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Viện Wyss và nay là Phó giáo sư thuộc Viện công nghệ Georgia cho biết, điểm khác biệt của thiết kế này, đó là khả năng thêm hoặc bớt một cách đơn giản các đoạn ghép từ thiết kế mẫu làm cho nó dễ dàng có thể tạo ra gần như bất cứ kiểu thiết kế nào. Tính mô đun của phương pháp cũng tạo điều kiện khá dễ dàng cho việc xác định chính xác độ dầy của tinh thể. "Đây là lần đầu tiên chúng tôi chứng tỏ được khả năng thiết kế một cách hợp lý độ dầy tinh thể chính xác ở kích cỡ nanomet, trong công trình nghiên cứu kích thước độ dầy là 80 nm", Ke nói. Các cấu trúc mạng ADN được thiết kế trước đây được đặc trưng bằng cấu trúc lớp đơn với độ dầy chỉ đạt 2 nanomet.
Tinh thể ADN thu hút sự chú ý trong các ứng dụng công nghệ nano do chúng bao gồm các đơn vị cấu trúc lặp, tạo ra một khuôn mẫu lý tưởng cho khả năng thiết kế mở rộng quy mô. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu còn chứng tỏ khả năng bố trí các hạt nano vàng dọc theo cấu trúc tinh thể 2D vào các vị trí cách nhau 2 nm, một đặc điểm quan trọng đối với các thiết bị lượng tử tương lai và là một tiến bộ kỹ thuật quan trọng đối với khả năng thiết kế mở rộng quy mô.
Phương pháp tự lắp ráp bằng cách ghép mảnh ADN của nhóm nghiên cứu thuộc Viện Wyss đã mở ra viễn cảnh mới cho những ứng dụng các phân tử ADN để làm hiện thực hóa nhiều ý tưởng mới trong ngành công nghiệp bán dẫn và lĩnh vực vật lý sinh học (biophysics).
Nguồn: NASATI, ngày 28/10/2014