DE3924454C2 - - Google Patents

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Description

Molekulares Mikronetzwerk für elektronische Netzwerke, Verfahren zu dessen Herstellung, Verfahren zum Herstellen eines leitenden Netzwerks und Verfahren zum Herstellen einer Maske.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein molekulares Mikronetzwerk für elektronische Netzwerke und das Verfahren zu seiner Herstellung. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines leitenden Mikronetzwerks für einen Chip sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Maske für die Herstellung von Chips durch photolithographische Verfahren.
Die Nukleinsäure DNA ist eine polymere Verbindung, die durch verschiedene physikalische und enzymatische Techniken, wie Denaturation/Renaturation, enzymatische Synthese, Modifizierungsreaktionen und Proteinbindung bearbeitet werden kann.
Aus der GB-PS 14 72 191 ist bekannt, daß DNA als organisches Halbleitermaterial für Halbleiterbauelemente verwendet werden kann.
Molekulare Mikronetzwerke für elektronische Netzwerke sind in der US-PS 41 03 064 sowie in der US-PS 41 03 073 offenbart. Bei dem in der US-PS 41 03 064 beschriebenen Mikronetzwerk handelt es sich um ein Netzwerk, das durch die programmierte Bewegung eines Elektronenstrahls auf einer mit einem Film aus einem polymeren Material bedeckten inaktiven Proteinschicht, die auf einem Substrat angeordnet ist, hergestellt wird. Das Muster des Netzwerks wird dabei extern programmiert und durch die Bewegung des Elektronenstrahls erzeugt.
Das aus der US-PS 41 03 073 bekannte Mikronetzwerk wird gebildet, indem Monomere eines Enzyms, das eine Reaktion zur Bildung freien Metalls katalysiert, als Bestandteil einer Polymerschicht auf ein Substrat aufgetragen werden und die Struktur der Bereiche, die schließlich die Reaktion katalysieren und somit das Netzwerk darstellen sollen, durch Entfernung oder Inaktivierung der davon verschiedenen Bereiche erzeugt wird. Die Bestimmung der Struktur des Netzwerks erfolgt durch elektromagnetische Strahlung oder durch Verwendung mechanischer Mittel.
Die in diesen beiden Dokumenten offenbarten Mikronetzwerke werden also gebildet, indem aus einem zuvor mehrschichtigen Aufbau entweder die das Netzwerk bildenden Bereiche, wie in der US-PS 41 03 064 offenbart, oder die das Netzwerk nicht bildenden Bereiche, wie in der US-PS 41 03 073 offenbart, entfernt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein molekulares Mikronetzwerk für elektronische Netzwerke bereitzustellen, für dessen Herstellung auf die Verwendung strukturbestimmender Vorrichtungen, wie z. B. externer Strahlenquellen, verzichtet werden kann, und bei dem die Struktur des Mikronetzwerks unmittelbar durch die molekulare Anordnung der Netzwerkkomponenten selbst festgelegt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein molekulares Mikronetzwerk der eingangs genannten Art, das doppel- und/oder einzelsträngige Nukleinsäuremoleküle enthält, wobei das molekulare Muster des Mikronetzwerks durch gezielt synthetisierte Nukleinsäuremoleküle und/oder durch Hybridisierung von Nukleinsäuremolekülen gebildet und auf einem festen Träger fixiert ist.
Ein weiterer Teil der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Mikronetzwerks der eingangs genannten Art bereitzustellen.
Dieser Teil der Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, bei dem Nukleinsäure auf einem festen Träger fixiert wird und durch DNA- und/oder RNA-Synthesereaktionen und/oder Hybridisierung mit präkonstruierten Nukleinsäurenetzwerkkomponenten das Netzwerk gebildet wird.
Ein weiterer Teil der Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines leitenden Mikronetzwerks für einen Chip bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, bei dem an ein molekulares Mikronetzwerk der obengenannten Art elektrisch leitende Substanzen angelagert werden.
Ein weiterer Teil der Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer Maske für die Chip-Herstellung durch photolithographische Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, umfassend die Schritte:
  • a - Herstellen eines molekularen Mikronetzwerks der obengenannten Art;
  • b - Umwandeln des molekularen Mikronetzwerks in ein elektronen- und/oder photonendurchlässiges Netzwerk.
Die DNA-Technologie ermöglicht die oben beschriebene Konstruktion von selbst-assemblierenden Netzwerken auf ultramikroskopischer oder monomolekularer Ebene.
Die Nukleinsäurenetzwerke können als Masken in photolithographischen Verfahren eingesetzt werden, die heutzutage für die Konstruktion und Produktion von Computerchips in Gebrauch sind. Die Netzwerke können durch die Herstellung eines Abdrucks reproduziert werden, um Replikas herzustellen, die aus anderen Materialien bestehen, oder sie können als Matrize benutzt werden zur Ablagerung anderer Materialien, wie n-dotiertem Galliumarsenid oder Galliumarsenid, die elektrischen Strom leiten. Die so konstruierten leitfähigen Elemente können als Komponenten elektronischer Chips genutzt werden. Die selbst-assemblierenden Eigenschaften der Nukleinsäuren können auch verwendet werden, um die für elektronische Chips benötigten Schaltelemente zu konstruieren.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines molekularen Mikronetzwerk und Fig. 2 Schritte von Herstellungsverfahren.
I. Konstruktion von Nukleinsäure-Netzwerken 1. Konstruktion von Startpunkt (DWIP) und Endpunkt (DWEP) einer DNA-Leitung a. DNA-Startpunkt (DWIP)
Ein DWIP (DNA wire-initiation point) wird konstruiert mit Hilfe eines DNA-Doppelstranges, der an einem Ende stumpf ist und am anderen Ende eine sequenzspezifische einzelsträngige Verlängerung hat, so daß nur ein Ende das Substrat für DNA-Verlängerung durch Synthese oder Hybridisierung ist. Der DWIP kann durch verschiedene Techniken auf einen festen Träger fixiert werden, wie z. B. durch örtlich fixiert geladene Moleküle oder durch Sequenz-spezifische DNA-bindende Proteine (wie Bakteriophagen-DNA-bildende Proteine, Adenovirus-bindendes Protein, lac-Repressor- oder synthetische DNA-bindende Proteine) oder durch kovalente chemische Bindung.
Um zwei Wachstumspunkte zu erhalten, hat der DWIP zwei sequenzspezifische Einzelstrang-Enden.
Die DNA in dem DWIP kann aus homopolymeren komplementären Strängen bestehen, wie polydC-polydG oder polydA-polydT oder aus anderen geeigneten Sequenzen, die Proteine binden oder bessere Fixierungseigenschaften haben.
b. Verlängerung des DWIP
Der DWIP wird durch DNA-Synthese und/oder durch Hybridisierung eines präsynthetisierten oder natürlichen spezifischen DNA-Strangs einer bestimmten Länge verlängert.
c. Konstruktion einer Verbindung zwischen zwei fixierten Punkten DNA-Leitungsendpunkt (DWEP)
Der DWEP (DNA wire-end-point) wird ähnlich konstruiert wie der DWIP. Die beschriebenen Verlängerungsreaktionen des DWIP können auch für den DWEP benutzt werden und damit zu einer Verbindung zwischen DWIP und DWEP führen. Die Verbindung kann durch Sequenz-spezifische Nukleinsäurehybridisierung hergestellt werden. Die Verlängerung eines DWIP kann alternativ so ausgelegt werden, daß sie direkt mit dem DWEP durch spezifische Hybridisierung eines bestimmten DNA-Strangs verbunden wird.
2. Konstruktion von Verzweigungspunkten, Schaltern und mehrsträngigen Regionen zur Benutzung in DNA-Leitungen
Die Programmierung der Synthese definierter DNA-Sequenzen, die Verbindung derselben durch Sequenz-spezifische Hybridisierung und die Schließung der Einzelstrangunterbrechungen in den so erhaltenen Doppelsträngen bieten die Möglichkeit, ein Netzwerk nach Wunsch herzustellen.
Beispiel
Die folgenden Konstruktionen sind durchgeführt worden: 1) eines doppelsträngigen DNA-Moleküls, das mit einem einzelsträngig herausragenden polydC an einem Strang und einem herausragenden polydA an dem anderen Strang endet; 2) eines einzelsträngigen DNA-Moleküls, bestehend aus polydG-polydT-Segmenten (gleichlang mit den herausragenden polydC- und polydA-Strängen der Synthese Nr. 1). Hybridisierung dieser Sequenzen führt zu einem Molekül, das aus zwei doppelsträngigen Enden besteht sowie einer aus zwei DNA-Doppelsträngen gebildeten Schleife (Fig. 1). Die Komplexität des Musters kann nach Wunsch variiert werden. Die sich ergebenden elektrischen Leitungseigenschaften können hiermit in vorprogrammierter Weise festgelegt werden.
3. Definierte DNA-Länge oder Menge
DNA steht in bestimmten Mengen, Größen und Zusammensetzungen zur Verfügung, z. B. in Form von Plasmiden, viraler Genome oder synthetischer DNA. Diese Einheiten können für die Konstruktion von DNA-Elementen, wofür eine definierte Menge an DNA in einer definierten Zusammensetzung benötigt wird, benutzt werden. Durch eine an einen spezifischen Punkt gebundene Einheit lassen sich durch die darin enthaltene DNA wünschenswerte Eigenschaften, wie z. B. ein Kontaktpunkt, herstellen.
4. DNA-Proteinkomplexe
Spezifische Kombinationen von DNA-Sequenzen und DNA-Bindproteinen können zur Konstruktion funktioneller Teile eines Netzwerks verwendet werden. Zum Beispiel trägt das Pockenvirus-Genom ein Protein, das spezifisch an das Ende gebunden ist. Dieses Protein kann benutzt werden, um das terminale DNA-Fragment an eine Matrize zu binden. Ferner sind viele spezifisch bindende Regulatorproteine, wie z. B. lac-Repressor, λ-Repressor, bekannt. Alternativ können Polypeptide synthetisiert werden, die an bestimmte DNA-Sequenzen binden. Auch können modifizierte Nukleotide, die mit spezifischen Antikörpern binden, am Ende eines DNA-Moleküls eingebaut werden.
Spezifische Polypeptid-DNA-Komplexe können benutzt werden, um DNA-Fragmente, z. B. auf einer Matrize oder an andere DNA-Moleküle, zu fixieren. Zusätzlich oder alternativ können Antikörper benutzt werden, um DNA-Proteinkomplexe mit anderen Komponenten oder Oberflächen zu verbinden. Auch können DNA-Proteinkomplexe eingesetzt werden, um lokal die Eigenschaften der elektrischen Leitfähigkeit zu verändern.
5. Anwendung der RNA
Sequenz-spezifische RNA kann in vitro auf programmierten DNA-Matrizen synthetisiert werden. Die Eigenschaften von RNA sind unterschiedlich von jenen der DNA. Ferner kann RNA durch intra-Strang-Hybridisierung jede gewünschte Sekundärstruktur annehmen, z. B. haarnadelähnliche Strukturen, und bietet damit zusätzliche Möglichkeiten, die elektrische Leitfähigkeit zu modulieren. Gemischte RNA-DNA-Netzwerke können auf einfache Weise konstruiert werden durch Programmierung der Reihenfolge der Hybridisierungs- (oder Synthese-)reaktionen, die für die Verbindungskonstruktion zwischen DWEP und DWIP verwendet werden.
II. Die Umsetzung des Nukleinsäure- oder Nukleinsäure-Proteinnetzwerks in ein leitendes Netzwerk
Die beschriebenen Nukleinsäurenetzwerke können als Matrize oder Gerüst benutzt werden, um Replikas zu produzieren, die aus anderen Materialien bestehen. Die Replikas können in Form von MOSFETs ausgelegt werden, MESFETs und MODFETs durch Ablagerung verschiedener Materialien in bestimmter Abfolge.
A) Anwendung der shadowing-Technik (Schattierungstechnik) zur Ablagerung des Leitermaterials. Das Bauprinzip (siehe Fig. 2) basiert auf der Konstruktion eines molekularen Nukleinsäure-Protein-Netzwerks auf einem Träger A oder einem Substrat A mit definierten chemischen Eigenschaften, die die Durchführung folgender Schritte erlauben:
1. Beschatten (unter niedrigem Winkel) des Netzwerks mit Substanz B unter Benutzung der Techniken, die heute für die Präparierung von DNA für Elektronenmikroskopie eingesetzt werden, die zu einem nicht abgedeckten Streifen entlang der DNA führen.
2. a. Aufbringen einer Schicht der Substanz C, z. B. dotiertes Galliumarsenid, dotiertes Silizium oder eine ähnliche Leitersubstanz, durch metallorganische chemische Verdampfung (MOCVD-Verfahren) auf dem Träger.
b. Aufbringen der Substanz C durch elektrische Ablagerung nur auf dem Streifen entlang des Nukleinsäurenetzwerks.
3. Entfernen der Substanz B und der DNA, so daß das Leiternetz frei bleibt.
4. Aufbringen einer zweiten Leitersubstanz D, z. B. Galliumarsenid.
5. Falls erwünscht, Entfernen und Ersetzen des Trägers A durch einen anderen Träger, Material E.
Dieses Verfahren führt zum Austausch des molekularen Nukleinsäureprotein-Netzwerks mit der Leitersubstanz C, eingebettet in Leitersubstanz D.
B) Alternativ kann die Leitersubstanz C direkt auf dem Nukleinsäurenetzwerk abgelagert werden. Danach kann mit Schritt 5 fortgefahren werden.
III. Photolithographische Reproduktionsmethode, wobei das DNA-Netzwerk als Maske benutzt wird
In der Standardprozedur der Produktion von mikroelektronischen Netzwerken werden die Netzwerke in vergrößerter Form angefertigt und dann photographisch verkleinert auf den Chip gebracht. In diesen Standardprozeduren wird ein Netzwerk entworfen und benutzt, um einen Satz von Master-Masken in Endgröße herzustellen, die dann auf den Chips reproduziert werden. Die beschriebenen Nukleinsäurenetzwerke können direkt als Master-Maske für die Produktion der mikroelektronischen Netzwerke verwendet werden, wodurch Größe-reduzierende Zwischenschritte vermieden werden. Das heißt, die Nukleinsäure- oder die Nukleinsäure-Protein-Netzwerke können direkt beim Schritt der photolithographischen Prozedur als Photomasken verwendet werden, wobei die oxidierte Wabe (Siliziumdioxid oder ähnliche Verbindungen), mit einer Schicht lichtempfindlichen Materials bedeckt, dem UV-Licht durch die Photomaske ausgesetzt wird (in diesem Fall durch die Nukleinsäure). Auch hier kann das Netzwerk durch Ablagerung oder Umwandlung, wie unter II beschrieben, zu einem Netzwerk aus einem anderen Material überführt werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben.
Beispiel A
Vereinfachtes Protokoll für die physische Orientierung eines DNA-Doppelstrangs, der als Matrize, Träger oder Maske für die Konstruktion eines Chips benutzt wird:
Schritt 1: Herstellen eines DWIP mit einem Mikromanipulator auf einer hydrophoben Oberfläche. Aufbringen eines Mikrotropfens einer Lösung des λ-Repressors auf eine hydrophobe Oberfläche, wie Polyethylen, mit Hilfe eines Mikromanipulators und anschließend eintrocknenlassen des Mikrotropfens.
Schritt 2: Herstellen eines DWEP auf gleiche Weise wie bei Schritt 1, unter Verwendung einer E. coli-lac-Repressorlösung, 50 µm vom DWIP entfernt.
Schritt 3: Präparieren eines Plasmid-DNA-Moleküls, das an einer Stelle den lac-Operator und in einer Richtung, 165 kb entfernt, den λ-Operator trägt.
Dadurch, daß beide Operatoren in jedem gewünschten Abstand innerhalb eines Plasmids integriert werden können, können DNA-Moleküle der erwünschten Länge mit endständigen Operatoren durch übliche rekombinante DNA-Techniken produziert werden. Plasmide geringerer Länge können in E. coli repliziert werden. Größere Plasmide können auch als Minichromosomen in der Hefe Saccharomyces cerevisiae vermehrt werden.
Schritt 4: Behandeln der hydrophoben Oberfläche mit einer Lösung der DNA aus Schritt 3. Die DNA wird selektiv und gerichtet an DWIP und DWEP binden.
Beispiel B
Für die Konstruktion kürzerer Verbindungen können Cosmidvektoren benutzt werden. Die Prozedur in Kürze: Linealisieren der Cosmidvektor-DNA mit einem geeigneten Restriktionsenzym. Ligieren der linearisierten Vektor-DNA mit DNA von etwa 49 kb (ungefähr 15 µm), die an einem Ende einen lac-Operator und am anderen Ende einen λ-Operator enthält. Die Konstruktion dieses DNA-Moleküls erfolgt durch übliche rekombinante DNA-Techniken. Inkubieren der ligierten DNA in vitro mit einer λ-Packaging-Mixtur, Transformieren von E. coli, Selektieren und Amplifizieren der DNA mit den üblichen Techniken. Diese DNA wird dann nach dem in Beispiel A beschriebenen Verfahren, beginnend mit Schritt 3, weiterverwendet. Der Abstand zwischen DWIP und DWEP beträgt 15 µm.
Beispiel C
Für längere Verbindungen zwischen DWIP und DWEP kann das E. coli-Genom mit spezifisch inserierter lysogener Phagen-DNA oder mit durch homologe Rekombination im Chromosom inserierten spezifischen DNA-Sequenzen benutzt werden. Längere definierte DNA-Abschnitte können auch in der Hefe Saccharomyces cerevisiae durch die Verwendung von Plasmiden oder artifiziellen Chromosomen konstruiert und produziert werden. Solche DNA-Moleküle tragen jeweils die λ-Operator- und die lac-Operator-DNA-Sequenz in jedem erwünschten Abstand innerhalb der verwendeten DNA-Elemente. Die DNA-Moleküle können ein breites Spektrum an Abständen zwischen DWIP und DWEP überbrücken, von einigen wenigen Nukleotiden bis mehr als 1 mm (die Länge des linealisierten E. coli-Chromosoms) oder mehrere mm (die Länge von Hefechromosomen). Das einzige Limit wird durch die Zerbrechlichkeit der langen DNA-Moleküle gesetzt. Diese hergestellten DNA-Moleküle werden dann nach dem in Beispiel A beschriebenen Verfahren, beginnend mit Schritt 3, weiter verwendet.

Claims (11)

1. Molekulares Mikronetzwerk für elektronische Netzwerke, dadurch gekennzeichnet, daß es doppel- und/oder einzelsträngige Nukleinsäuremoleküle enthält, wobei das molekulare Muster des Mikronetzwerks durch gezielt synthetisierte Nukleinsäuremoleküle und/oder durch Hybridisierung von Nukleinsäuremolekülen gebildet und auf einem festen Träger fixiert ist.
2. Mikronetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nukleinsäure einzel- und/oder doppelsträngige DNA und/oder RNA umfaßt.
3. Mikronetzwerk nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Nukleinsäurenetzwerk eine definierte Orientierung (Start- und Endpunkt), einzelsträngige und/oder doppelsträngige Bereiche hat, die durch Position, Länge und Sequenzzusammensetzung definiert sind, Verzweigungsstellen und Verbindungsstellen hat.
4. Mikronetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Bereiche des Nukleinsäurenetzwerks durch spezifische Bindung an ein Nukleinsäure-bindendes Protein, welches an einen hydrophoben Träger gebunden ist, fixiert sind.
5. Mikronetzwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Nukleinsäure-bindende Protein das λ-Repressor-Protein ist.
6. Mikronetzwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Nukleinsäure-bindende Protein das lac-Repressor-Protein ist.
7. Verfahren zum Herstellen eines molekularen Mikronetzwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Nukleinsäure auf einem festen Träger fixiert wird und daß durch DNA und/oder RNA-Synthesereaktionen und/oder Hybridisierung mit präkonstruierten Nukleinsäurenetzwerkkomponenten das Netzwerk gebildet wird.
8. Verfahren zum Herstellen eines leitenden Mikronetzwerks für einen Chip, dadurch gekennzeichnet, daß an ein molekulares Mikronetzwerk nach einem der Ansprüche 1-6 elektrisch leitende Substanzen angelagert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, umfassend die folgenden Schritte:
  • a - Herstellen eines molekularen Mikronetzwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 6;
  • b - Beschatten unter niedrigem Winkel mit einer maskierenden Substanz, so daß der Träger nur entlang der Stränge des Netzwerks frei bleibt;
  • c - weiteres Beschatten mit einem Leitermaterial nach dem MOCVD-Verfahren;
  • d - selektives Ablösen der maskierenden Substanz und der ursprünglichen Netzwerksubstanz, so daß nur die das leitende Netzwerk bildende Leitersubstanz auf dem Träger zurückbleibt;
  • e - Aufbringen einer zweiten Leitersubstanz.
10. Verfahren zum Herstellen einer Maske für die Herstellung von Chips durch photolithographische Verfahren, umfassend die folgenden Schritte:
  • a - Herstellen eines molekularen Mikronetzwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 6;
  • b - Umwandeln des molekularen Mikronetzwerks in ein elektronen- und/oder photonendurchlässiges Netzwerk.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung des molekularen Mikronetzwerks in ein elektronen- und/oder photonendurchlässiges Netzwerk erfolgt durch Beschatten unter niedrigem Winkel mit einer maskierenden, elektronen- und/oder photonendichten Substanz, so daß der Träger nur entlang der Stränge des Netzwerks freibleibt.
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