Asymmetric DNA Shapes for Orienting Molecular Components within Hybrid Nanodevices
用于定向混合纳米器件中分子成分的不对称 DNA 形状
基本信息
- 批准号:1636364
- 负责人:
- 金额:$ 30万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2016
- 资助国家:美国
- 起止时间:2016-08-01 至 2020-07-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
A key problem is the scalable manufacturing of "hybrid nanodevices" which combine a conventionally-fabricated optical or electronic device with an unconventional component, such as a single molecule or nanoparticle. The unconventional component has some sought-after property, but it is too small to function on its own, and the conventionally-fabricated device connects the unconventional component to the larger world. Applications include the incorporation of quantum dots into electronics for flat panel displays, or into optical chips for quantum computers or telecommunications. Biological applications include the incorporation of single proteins or DNA into sensors for diagnostics or genome sequencing. Current methods for creating hybrid devices are too expensive, and have low yields. Research under this award combines experimental DNA nanotechnology, theoretical computational geometry, and conventional microfabrication to develop novel fabrication techniques that will bring prototype hybrid nanodevices out of the laboratory and enable them to be inexpensively produced at industrial-scale. Techniques developed under this award will be spread through the greater research community via collaborations and tutorial workshops. This research will be shared with women and minority high school students through student visiting days at the laboratory, and reciprocal researcher visits to high school classrooms, to stimulate their participation in STEM fields. Scientists have long relied on random processes to integrate single molecules and nanoparticles with microfabricated devices. This has allowed them to demonstrate the extraordinary performance of unconventional components, but only for a few prototype devices. Recently, the directed self-assembly of DNA origami shapes onto lithographically-patterned binding sites has allowed the reliable positioning of single molecules or nanoparticles at precise locations within microfabricated devices. However, the use of symmetric DNA triangles has limited the technique to simple point-like components, preventing the integration of components which must be precisely oriented, such as molecular rectifiers. This research will design, simulate, synthesize, and experimentally test asymmetric DNA shapes capable of precisely orienting their cargo onto lithographic binding sites. Numerical energy landscape analysis will be used to identify promising asymmetric shapes, and analytic proofs will be constructed to confirm that their binding landscapes have no local minima. A major intellectual contribution will be guidelines and principles for designing binding sites and energy landscapes for directed self-assembly. The high-yield fabrication of thousands of bipolar or multipolar devices based on carbon nanotubes and polarization-dependent fluorescent dyes will demonstrate the practical and scalable integration of complex, asymmetric components into hybrid nanodevices.
一个关键问题是“混合纳米器件”的可扩展制造,它将传统制造的光学或电子器件与非传统组件(如单个分子或纳米颗粒)结合起来。非常规组件具有一些受欢迎的特性,但它太小而无法独立运行,而传统制造的设备将非常规组件连接到更大的世界。应用包括将量子点集成到平板显示器的电子产品中,或集成到量子计算机或电信的光学芯片中。生物应用包括将单个蛋白质或DNA整合到传感器中用于诊断或基因组测序。目前制造混合装置的方法过于昂贵,而且产量很低。该奖项下的研究结合了实验DNA纳米技术、理论计算几何和传统的微制造技术,以开发新的制造技术,将原型混合纳米器件带出实验室,并使其能够在工业规模上廉价生产。在该奖项下开发的技术将通过合作和辅导研讨会在更大的研究界传播。这项研究将与女性和少数民族高中生分享,通过学生访问实验室的日子,以及互惠的研究人员访问高中教室,以刺激他们参与STEM领域。长期以来,科学家们一直依靠随机过程将单分子和纳米颗粒与微制造设备集成在一起。这使他们能够展示非常规组件的非凡性能,但仅适用于少数原型设备。最近,DNA折纸形状的定向自组装在光刻图案的结合位点上,使得在微制造设备内精确定位单个分子或纳米颗粒成为可能。然而,对称DNA三角形的使用限制了该技术的简单点状组件,阻止了必须精确定向的组件的集成,例如分子整流器。这项研究将设计、模拟、合成和实验测试不对称的DNA形状,这些形状能够精确地将它们的货物定向到光刻结合位点上。数值能量景观分析将用于识别有希望的不对称形状,并构建分析证明以确认它们的结合景观没有局部最小值。主要的智力贡献将是设计结合位点和定向自组装能量景观的指导方针和原则。成千上万基于碳纳米管和偏振依赖荧光染料的双极或多极器件的高产量制造将展示复杂的、不对称的组件集成到混合纳米器件中的实用和可扩展的集成。
项目成果
期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
DNA origami: The bridge from bottom to top
- DOI:10.1557/mrs.2017.275
- 发表时间:2017-12
- 期刊:
- 影响因子:5
- 作者:Anqin Xu;J. Harb;M. Kostiainen;W. Hughes;A. Woolley;Haitao Liu;A. Gopinath
- 通讯作者:Anqin Xu;J. Harb;M. Kostiainen;W. Hughes;A. Woolley;Haitao Liu;A. Gopinath
DNA Nanotechnology: A foundation for Programmable Nanoscale Materials
- DOI:10.1557/mrs.2017.279
- 发表时间:2017-12-01
- 期刊:
- 影响因子:5
- 作者:Bathe, Mark;Rothemund, Paul W. K.
- 通讯作者:Rothemund, Paul W. K.
Properties of DNA- and Protein-Scaffolded Lipid Nanodiscs
- DOI:10.1021/acsnano.0c07128
- 发表时间:2021-01-26
- 期刊:
- 影响因子:17.1
- 作者:Maingi, Vishal;Rothemund, Paul W. K.
- 通讯作者:Rothemund, Paul W. K.
Absolute and arbitrary orientation of single-molecule shapes
- DOI:10.1126/science.abd6179
- 发表时间:2021-02-19
- 期刊:
- 影响因子:56.9
- 作者:Gopinath, Ashwin;Thachuk, Chris;Rothemund, Paul W. K.
- 通讯作者:Rothemund, Paul W. K.
Branched kissing loops for the construction of diverse RNA homooligomeric nanostructures
- DOI:10.1038/s41557-019-0406-7
- 发表时间:2020-01-20
- 期刊:
- 影响因子:21.8
- 作者:Liu, Di;Geary, Cody W.;Weizmann, Yossi
- 通讯作者:Weizmann, Yossi
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