Команда исследователей из Университета Дьюка и Университета штата Аризона показала, как определенные последовательности ДНК могут превращать эти спиралевидные молекулы в электронные «магистрали», позволяя электричеству легче проходить через нить.
Результаты могут обеспечить основу для разработки более стабильных, эффективных и настраиваемых устройств ДНК в нанометровом масштабе, а также для понимания того, как проводимость ДНК может быть использована для выявления повреждения генов.
Исследование появится в Интернете 20 июня в журнале Nature Chemistry.
Ученые давно расходятся во мнениях относительно того, как именно электроны перемещаются по нитям ДНК, говорит Дэвид Н. Бератан, профессор химии в Университете Дьюка и лидер команды Дьюка.
Они полагают, что на большие расстояния электроны перемещаются по нитям ДНК, как частицы, «прыгая» от одной молекулярной основы или «единицы» к следующей. На более коротких расстояниях электроны используют свой волновой характер, будучи разделенными или «размазанными» по нескольким основаниям одновременно.
Но недавние эксперименты, проведенные Нунцзянь Тао, профессором электротехники в Университете штата Аризона и соавтором исследования, дали намек на то, что это волновое поведение можно распространить на более длинные расстояния.
Этот результат был интригующим, говорит аспирант Дьюка и ведущий автор исследования Чаорен Лю, потому что электроны, движущиеся волнами, по сути, входят в «быструю полосу», двигаясь с большей эффективностью, чем те, которые прыгают.
«В наших исследованиях мы сначала хотели подтвердить, что это волнообразное поведение действительно существовало на этих отрезках», – сказал Лю. "И во-вторых, мы хотели понять механизм, чтобы усилить это волнообразное поведение или расширить его на еще большие расстояния."
Нити ДНК построены как цепи, каждое звено которых состоит из четырех молекулярных оснований, последовательность которых кодирует генетические инструкции для наших клеток. Используя компьютерное моделирование, команда Бератана обнаружила, что манипулирование этими же последовательностями может регулировать степень обмена электронами между базами, что приводит к волнообразному поведению на больших или меньших расстояниях.
В частности, они обнаружили, что чередующиеся блоки из пяти оснований гуанина (G) на противоположных цепях ДНК создают лучшую конструкцию для дальнодействующих волновых электронных движений.
Команда теоретически предполагает, что создание этих блоков оснований G заставляет их все «сцепляться» вместе, поэтому волнообразное поведение электронов с меньшей вероятностью будет нарушено случайным шевелением нити ДНК.
«Мы можем думать о том, что базы эффективно связаны друг с другом, поэтому все они движутся как одно целое», – сказал Лю. "Это помогает разделить электрон внутри блоков."
Группа Тао подтвердила эти теоретические предсказания, используя эксперименты с разрывными соединениями, привязывая короткие цепи ДНК, построенные из чередующихся блоков из трех-восьми гуаниновых оснований, между двумя золотыми электродами и измеряя количество электрического заряда, протекающего через молекулы.
По словам Бератана, результаты проливают свет на давние споры о точной природе переноса электронов в ДНК.
Они также могут дать представление о конструкции настраиваемой наноэлектроники ДНК и о роли транспорта электронов ДНК в биологических системах.
«Эта теоретическая основа показывает нам, что точная последовательность ДНК помогает определять, могут ли электроны перемещаться, как частицы, и когда они могут перемещаться как волны», – сказал Бератан. "Можно сказать, что мы создаем волнообразную индивидуальность электрона."