A nanotechnológia két dologban különbözik az eddig ismert technológiáktól: Az egyik, hogy a nanométeres mérettartományban mozgunk, építkezünk. Nagyon fontos, hogy ez az építkezés alulról-felfelé építkezés, ahol tervezetten, csak a szükséges elemeket felhasználva dolgozunk. Ebben a mérettartományban a makrovilágban nem ismert effektusok is vannak, kicsit megváltoznak a fizika törvényei, ez újfajta érzékelési elvekre ad lehetőséget. Az alulról való építkezésre és az új fizikai effektusokra egy példa a glükózreceptor. A vércukorszint mérésére is alkalmas eljárás, mivel a vércukor teljes egészében glükóz.
Az emberi szervezetben van egy glükóz-oxidáz nevű enzim, a glükózt oxidálja, glükoid savat állít elő belőle, miközben felszabadul egy elektron. A FAD egy segédenzim, ez egy nukleotid természetű molekula, az elektron transzportban játszik szerepet, átveszi az enzimtől az elektront, és leadja a víznek. A következőt tesszük: veszünk egy FAD molekulát, ehhez hozzákötünk egy arany gömböcskét, és ezt az arany gömböcskét ugyanakkor hozzákötjük egy arany elektród felszínéhez (b). Ha veszünk egy apo-enzimet (segédmolekula nélküli enzim), akkor a FAD odakötődik az enzimhez. Ha oldatot áramoltatunk át az enzim környezetében, és abban van glükóz, akkor az enzim elkezdi lebontani. De most a FAD az elektront nem a víznek adja le, hanem sokkal gyorsabb az a folyamat, hogy az arany veszi át, és vezeti el az arany elektródhoz. A rendszerben elektromos áram alakul ki, melyet mérni lehet, és erőssége arányos a glükóz mennyiségével. Az arany gömböcskére azért van szükség, mert a fehérje szigetelő, de ha jelen van ez az arany gömböcske, akkor az alagúteffektus hatására az elektron a FAD-tól el tud jutni a vezető aranygömböcskéhez.
Építkezés biológiai makromolekulák segítségével
Egy más irányú felhasználás, amikor a fehérjékkel struktúrákat építünk, vagy akár más anyagokat strukturálunk. Ha megfelelő fehérjekomponenseket adunk egymáshoz, akkor azok spontán módon összeillenek, és hatalmas fehérjekomplexumokat hoznak létre. Ez önszerveződő elven működik, akár kémcsőben összekeverve őket is mindig ugyanazt a struktúrát hozzák létre. Más anyagokat is strukturálhatunk például, létrehozhatunk kvantumpöttyöket fehérjék segítségével is. A kvantumpötty néhány nanométer átmérőjű fémsziget. Mérete miatt elektromos és optikai tulajdonságait döntően a mérete határozza meg. Ha a méretét tudjuk kontrollálni, akkor ezen tulajdonságait is kontrollálni tudjuk. Kémiai módszerekkel nagyon nehéz jól definiált méretű kvantumpöttyöt készíteni.
Fehérjékkel viszont lehet azonos, jól definiált méretű kvantumpöttyöket, kvantummintázatot készíteni. Erre jól alkalmazható például a ferritin fehérje, amely az emberi testben is megtalálható, a vas tárolását végzi. Gömbszerű alakja van, a vasat a gömb belsejéhez köti. A molekulát génsebészeti eljárással módosítani lehet, el lehet érni, hogy ne vasat, hanem nikkelt vagy aranyat kössön meg, a molekula által megkötött fématomok száma is definiálható egy korlátos tartományban, ezzel a kvantumpötty méretét adjuk meg. Valamint kétdimenziós kristályrácsokat is kialakíthatunk, ahogy az a képen is látható. Ha ezután eltávolítjuk a fehérjét a fémpöttyökről (például ultraibolya sugárzással), akkor visszamaradnak az azonos méretű fémszigetek. A ferritin mellett még rengeteg gömbszerű fehérje van, mely alkalmas kvantumpöttyök előállítására, például a vírusok. Fehérjék segítségével nanodrótot is elő lehet állítani. Vannak olyan fehérjék, melyekkel szálas struktúrákat építhetünk, és ha ezekbe a szálakba beépítünk például nukleinaminosavakat, sh-iol-csoportokat, akkor a szálak felületén periodikusán megjelennek ezek az sh-iol csoportok. Az arany nagyon jól kötődik ezekhez a csoportokhoz, ha idejuttatunk arany nanorészecskéket, akkor lerakódnak a szálakra.
Ez általában nem elég, az arany nanorészecskék nem érnek össze, csak az sh-iol-csoportok melletti részeket foglalják el. Többrétegű kicsapatással előbb ezüstöt kötnek az aranyrészecskékhez, majd az ezüstrészecskékhez újra aranyrészecskéket (baloldali képsor). Így a fehérje szálon vezető burkot lehet létrehozni. Gyakorlati jelentőssége a nanodrótnak csak akkor lehet, ha azt is meg tudjuk oldani, hogy a drót onnan induljon, és oda érkezzen, ahonnan és ahová mi akarjuk. Ezt is el lehet érni DNS segítségével.
Két mikroelektródára rögzítük két olyan rövidke molekulát, mely kötődni tud a DNS szálhoz. A mikroelektródák távolságából tudjuk, hogy milyen hosszú egyes-szálú DNS-láncot kell szintetizálni, és a két kötő molekák végeinek komplementerének kell lennie a DNS-szál megfelelő végeinek. Ekkor a DNS spontán módon kötődni fog hidrogénhidas kötéssel a kötő molekulákhoz, és így az elektródákhoz is. A DNS lineáris polimer, van egy cukor-foszfát lánca, amely negatív töltésű. Ha ehhez a rendszerhez pozitív ezüst-ionokat adunk, azok hozzátapadnak a DNS-szálhoz, Erre a már ismert módon arany, majd újra ezüst réteget lehet vinni. Fehérjéket bonyolult és összetett felépítésük miatt jelenleg gyakorlatilag lehetetlen tervezni, amit tudunk, hogy meglévő fehérjéket módosítgatunk. A DNS-ek segítségével is egészen bonyolult dolgokat lehet felépíteni, viszont nincs annyi lehetőség, mint ha fehérjékkel dolgoznánk. Sokkal egyszerűbb a szerkezete, mint a fehérjéknek, sokkal jobban tervezhetőek. Ha ismerjük az egyik DNS-szálat, akkor a másik is ismert, hiszen ennek az elsőnek a kiegészítő szála. Térbeli objektumokat lehet velük felépíteni, például oktaédert, kockát. De hasznosabb alkalmazás is létezik. Ha létrehozunk egy cirkuláris DNS-t, ahol a szálaknak megfelelő bázispárai vannak, akkor azok spontán létrehozzák a baloldalon látható struktúrát. Látható, hogy a kapcsolódó szálak egyike mindig túlnyúlik a másikon. Ezeket a kinyúló résszálakat úgy tervezzük meg, hogy komplementerei legyenek egymásnak.
Ezen építőkövekből szintén önszerveződő módon kialakulnak a hidrogénhíd kötések a komplementer láncok között, és létrejön a jobb oldalon látható kétdimenziós rács struktúra. Megfelelő módszerekkel akár háromdimenziós struktúra is kialakítható. Ez az építkezési mód nagyon jól tervezhető, a rácsszerkezet alakja, méretei, az építőegységek struktúrája mindmind előre definiálható.
Ezt a vázszerkezetet többféle dologra is fel lehet használni, strukturálni lehet dolgokat. A módszer az, hogy ha a DNS-szálnak van egy olyan részük, mely nem komplementere a szál többi részével komplementer szálnak, akkor ez a szálrész kiáll a rács síkjából, nem vesz részt a rács kialakításában. Ezekhez, a kiálló szálrészekhez hozzá lehet kötni a komplementer résszálat, amit előzőleg hozzákötöttünk valami máshoz. Ezt arra is fel lehet használni, hogy például arany nanorészecskéket kötünk a DNS-résszálakhoz, és kétdimenziós rendezett nanorészecske mintázatot hozunk létre. Ha a szálrészt fehérjéhez kötjük, akkor egy periodikus fehérje mintázatot lehet létrehozni.
A fehérje szerkezet meghatározásánál kritikus lépés, hogy kristályosítani kell a fehérjét. Viszont nem minden fehérjét lehet kristályosítani, vannak olyanok is, melyek vagy kicsapódnak, vagy nem reagálnak. A fent leírt módon térben létrehozott tartószerkezethez periodikusan be tudnak kötődni a fehérjék. Így a DNS-rácsban már lehet fehérjéket kristályosítani. Míg tehát fehérjéket tervezni szinte lehetetlen, addig a DNS tervezéshez szinte még számítógép sem kell. Vázszerkezetekhez a DNS nagyon jól alkalmazható.
Logikai hálózatok és programozható önszerveződő DNS struktúrák1 Az önszerveződés a számítástechnika gyakorlati eszközévé kezd válni. Azt vizsgálják, hogy a csempézést hogyan lehet alkalmazni logikai áramkörök készítéséhez. Molekuláris szinten lehet így logikai hálózatokat készíteni az önszerveződő DNS segítségével. Wang csempéi olyan egységnégyzetek, melyek élei különféleképpen vannak kiszínezve. Egy réteg önszerveződő DNS csempe működhet programként vagy logikai függvényként. Ez a réteg határozza meg a csempék elrendeződését, és ezek kapcsolatai határozzák meg az aktuális bemenetekre a kimenetet. A molekuláris rendszer, amelyet bemutatunk, egy kétdimenziós réteg pár, de akár az is lehetséges lehet, hogy többrétegű rendszert építsünk ezen az elven. Az egymással kapcsolatban lévő csempékkel történő számítás fogalma az 1960-as évektől ismert (Wang). Erre a számítási módra alkalmazhatóak a stabil elágazó DNS-ek. A probléma ezen megközelítésében egyedülálló, hogy egy önszerveződő programozható molekuláris felületet használunk, amely sokféle inputtal „együttműködik” egy második rétegen.
Egy megvalósított hálózat az úgynevezett paritás függvényt valósítja meg. A bemenetünk nbit hosszú. A kimenet egy, ha a bemeneti bitsorban az egyesek száma páratlan, nulla, ha az egyesek száma páros. Az alapötlet egyszerű: A bemenet egy egydimenziós template (rajz:a), ehhez megvannak a megfelelő csempék (rajz:b). Ezek a csempék kódolják az XOR művelet igazságtábláját (rajz:c).
Amikor a csempéket hozzáadjuk a templatet tartalmazó oldathoz, akkor azok spontán megtalálják a helyüket, a template megfelelő helyeihez kapcsolódnak. Egymásra épülnek, amint találnak kapcsolódási helyet (rajz:d). A szabály az, hogy egy csempe akkor tud kapcsolódni a templatehez, ha két kapcsolódási pontja megfelelően illik a templatehez. Öt lépés után kialakul a struktúra, aminek az utolsó csempéje megadja a függvény kimenetét a 001101 bemenetre. Logikai hálózat céljára olyan önszerveződő elven működő struktúrát is lehet építeni, amely két részből áll, és az egyik a másikon fekszik. Az alsó réteg a template, a felsőt a bemenetet jelentő csempékhez hozzáillő csempék jelentik. A template egy statikus rész, amely egy fagráfszerű hálózatot kódol. A csempék halmaza a bemeneti csempéktől és a template-től függ. A „program” elkülönül az „adatoktól”. A program a template fa-gráf csúcsaiból áll össze, az adatokat (a bemenő és a közbülső adatok) a felső réteg kódolja. A template, tehát a program újraírható, átszervezhető. Maga a csempe három részből áll (rajz:c). Az i,j,k,l címkék vagy 0, vagy 1 értéket jelentenek, az „A” helyen extra információ kódolódik, ezt középső címkének hívják. Az i és j bemeneti változók, a k és l a kimenetek.
A gyakorlatban a csempe három egymást keresztező dupla DNS-szálból (TX) álló molekula (rajz:d). Az i,j,k,l értékeket a kiálló végek kódolják.
1
Forrás: Carbone és Seeman, PNAS 2002, október 1.
