Подобно тому, как щелкают выключатель света дома — только в масштабе в 1000 раз меньше человеческого волоса — команда под руководством ASU разработала первый управляемый переключатель ДНК для регулирования потока электричества в одной молекуле атомного размера. Новое исследование, проведенное научным сотрудником Института биодизайна АГУ Нунцзян Тао, было опубликовано в продвинутом онлайн-журнале Nature Communications.
«Было установлено, что перенос заряда возможен в ДНК, но для полезного устройства нужно иметь возможность включать и выключать перенос заряда. Мы достигли этой цели путем химической модификации ДНК », — сказал Тао, руководитель Центра биодизайна биоэлектроники и биосенсоров и профессор инженерных школ Фултона. "Не только это, но мы также можем адаптировать модифицированную ДНК в качестве зонда для измерения реакций на уровне одной молекулы. Это предоставляет уникальный способ изучения важных реакций, связанных с болезнями, или реакций фотосинтеза для новых применений возобновляемых источников энергии."
Инженеры часто думают об электричестве, как о воде, и новый переключатель ДНК исследовательской группы действует, чтобы контролировать поток электронов, включающийся и выключающийся, как вода, выходящая из крана.
Ранее исследовательская группа Тао сделала несколько открытий, чтобы понять ДНК и управлять ею, чтобы более точно настроить поток электричества через нее. Они обнаружили, что могут заставить ДНК вести себя по-разному — и могут уговаривать электроны течь, как волны, согласно квантовой механике, или «прыгать», как кролики, как работает электричество в медной проволоке, — создавая новый захватывающий путь для ДНК. основанные на наноэлектронике приложения.
Тао собрал многопрофильную команду для проекта, в которую вошли аспиранты ASU Лимин Сян и Ли Юэци, выполняющие лабораторные эксперименты, Хулио Пальма, работающий над теоретической основой, с дальнейшей помощью и контролем со стороны соавторов Владимиро Мухика (ASU) и Марка Ратнера (Северо-Западный университет).
Чтобы осуществить свой инженерный подвиг, группа Тао модифицировала только одну из знаковых химических букв двойной спирали ДНК, сокращенно A, C, T или G, с другой химической группой, названной антрахиноном (Aq). Антрахинон представляет собой трехкольцевую углеродную структуру, которая может быть вставлена между парами оснований ДНК, но содержит то, что химики называют окислительно-восстановительной группой (сокращение от восстановления или получения электронов или окисления, потери электронов).
Эти химические группы также являются основой того, как наши тела преобразуют химическую энергию с помощью переключателей, которые посылают все электрические импульсы в наш мозг, наше сердце и передают сигналы в каждой клетке, которые могут быть причастны к наиболее распространенным заболеваниям.
Модифицированная спираль Aq-ДНК теперь может помочь ему выполнить переключение, удобно проскользнув между ступенями, составляющими лестницу спирали ДНК, и наделяя его новой обнаруженной способностью обратимо приобретать или терять электроны.
В ходе своих исследований, когда они зажали ДНК между парой электродов, они тщательно контролировали свое электрическое поле и измеряли способность модифицированной ДНК проводить электричество. Это было выполнено с использованием основной наноэлектроники, сканирующего туннельного микроскопа, который действует как кончик электрода для завершения соединения, многократно втягиваясь и выходя из контакта с молекулами ДНК в растворе, как палец, касающийся воды. капля.
«Мы обнаружили, что механизм переноса электронов в существующей системе антрахинон-ДНК способствует« прыжкам »электронов через антрахинон и многослойные основания ДНК», — сказал Тао. Кроме того, они обнаружили, что могут обратимо управлять состояниями проводимости, чтобы ДНК включалась (высокая проводимость) или выключалась (низкая проводимость). Когда антрахинон набирает наибольшее количество электронов (его наиболее восстановленное состояние), он становится гораздо более проводящим, и команда тщательно построила трехмерное изображение, чтобы учесть, как антрахинон контролирует электрическое состояние ДНК.
В своем следующем проекте они надеются расширить свои исследования, чтобы еще на один шаг приблизиться к тому, чтобы сделать ДНК-наноустройства реальностью.
«Мы особенно рады тому, что созданная ДНК является прекрасным инструментом для изучения кинетики окислительно-восстановительных реакций и термодинамики на уровне отдельных молекул», — сказал Тао.
