Går med DNA-strømmen:Livets molekyle finder nye anvendelser i mikroelektronik

For ren alsidighed, der er intet molekyle som DNA. Den ikoniske dobbelthelix bærer det genetiske plan for levende former lige fra encellede organismer til mennesker.

For nylig, forskere har fundet ud af, at DNA's bemærkelsesværdige egenskaber ved selvsamling og dets evne til at lede elektrisk ladning over betydelig afstand gør det ideelt egnet til utallige anvendelser, herunder små elektroniske kredsløb og computerenheder, nanorobotter og nye fremskridt inden for fotonik.

Forskere ved Arizona State University, i samarbejde med NYU og Duke University, har for nylig designet, skabt og testet et DNA-kredsløb, der er i stand til at opdele og kombinere strøm, meget som en adapter, der kan tilslutte flere apparater til en stikkontakt.

Nongjian "N.J." Tao, en medforfatter til den nye undersøgelse, har arbejdet på at forfine DNA's evne til at transportere ladning mere stabilt og effektivt, en væsentlig forhindring på vejen til en ny generation af biologisk baserede enheder.

"Dnas evne til at transportere elektrisk ladning har været under undersøgelse i nogen tid, " siger Tao, der leder Biodesign Center for Bioelektronik og Biosensorer. "Opdeling og rekombination af strøm er en grundlæggende egenskab ved konventionelle elektroniske kredsløb. Vi vil gerne efterligne denne evne i DNA, men indtil nu, det har været ret udfordrende."

Nuværende opsplitning i DNA-strukturer med tre eller flere terminaler er vanskelig, da ladning har tendens til hurtigt at spredes ved spaltningsforbindelser eller konvergenspunkter. I den nye undersøgelse, en særlig form, kendt som G-quadruplex (G4) DNA bruges til at forbedre ladningstransportegenskaber. Som navnet antyder, G4 DNA er sammensat af fire snarere end to strenge af DNA, der er rige på nukleotidet guanin.

"DNA er i stand til at lede ladning, men for at være nyttig til nanoelektronik, den skal være i stand til at lede ladningen ad mere end én vej ved at splitte eller kombinere den. Vi har løst dette problem ved at bruge guanin quadruplex (G4), hvor en ladning kan ankomme på en duplex på den ene side af denne enhed og gå ud af en af ​​to duplexer på den anden side" siger Peng Zhang, en assisterende forskningsprofessor i kemi ved Duke University og medforfatter til det nye studie.

"Dette er det første trin, der er nødvendigt for at transportere ladning gennem en forgreningsstruktur, der udelukkende er lavet af DNA. Det er sandsynligt, at yderligere trin vil resultere i succesfuld DNA-baseret nanoelektronik, der inkluderer transistorlignende enheder i selvsamlende 'forprogrammerede' materialer, " siger Zhang.

Sammen med Tao og Zheng, forskerholdet bestod af Taos ASU-kolleger, Limin Xiang og Yueqi Li; Ruojie Sha og Nadrian C. Seeman fra NYU; og Chaoren Liu, Alexander Balaeff, Yuqi Zhang og David N. Beratan fra Duke University.

Resultaterne af den nye undersøgelse vises i det avancerede onlinenummer af tidsskriftet Natur nanoteknologi .

DNA er et yderst attraktivt materiale til design og skabelse af ny nanoelektronik. Molekylets fire nukleotidbaser mærket A, T, C og G kan programmeres til selv at samles til ikoniske dobbeltspiraler, snapper sammen som matchede puslespilsbrikker, En altid binding med T og C med G. En bred vifte af to- og tredimensionelle DNA-former er blevet syntetisk designet og bygget på disse enkle principper.

Men molekylet kan også samles og danne G4 DNA. Ja, naturligt forekommende guaninrigt quadruplex DNA tjener en række vigtige fysiologiske funktioner. Sådanne DNA-konfigurationer forekommer i enderne af lineære kromosomer, i strukturer kendt som telomerer, som spiller en afgørende rolle i reguleringen af ​​aldring. DNA-quadruplexes i telomerer har vist sig at reducere aktiviteten af ​​telomerase - et enzym, der er ansvarligt for telomerlængden og er impliceret i omkring 85 procent af alle kræftformer. G4 quadruplexes er derfor lægemiddelmålet for vigtige terapeutika.

I G4-strukturer, DNA har form af stablede guaninbaser, der danner hydrogenbindinger med deres to umiddelbare naboer. G4-strukturen i hjertet af de nye eksperimenter, med sine forbedrede egenskaber for ladningstransport, tilladt forskere, for første gang, at designe effektive ledende baner mellem det stablede G-quadruplex DNA og de dobbeltstrengede ledninger, der danner terminalerne til enten at splitte eller fusionere elektrisk strøm.

Tidligere bestræbelser på at skabe et sådant Y-formet elektrisk kryds ved kun at bruge konventionelt dobbeltstrenget DNA havde mislykkedes, på grund af de meget dårlige ladningstransportegenskaber, der ligger i kredsløbets samlingspunkter. Brug af G4-DNA som et forbindelseselement i multi-endede DNA-forbindelser blev vist at dramatisk forbedre ladningstransport gennem både tre og fire terminale DNA-kredsløb.

Undersøgelsen målte direkte ladningsledning gennem den G4-baserede nanostruktur, ved hjælp af en enhed kendt som et scanning tunneling mikroskop eller STM. DNA-molekylet, der består af G4-kernen med dobbeltstrengede ledninger, der danner spaltningsterminalerne, er kemisk immobiliseret mellem et guldsubstrat og guldspidsen af ​​STM-enheden.

Spidsen af ​​STM bringes gentagne gange ind og ud af kontakt med molekylet, bryde og reformere krydset, mens strømmen gennem hver terminal registreres. Der blev indsamlet tusindvis af spor for hvert DNA-kandidatmolekyle. Ved at bruge denne break junction STM-metode tillod forskerne at designe, måle og finjustere en række prototypekredsløb for maksimal ladningstransportegenskaber.

"Min rolle i dette projekt var at måle konduktansoutputtet fra de to DNA-duplekser i vores design, " sagde biodesignforsker Limin Xiang. "Hvis du tænker på strømskinnen på din arbejdsplads, min opgave var at kontrollere, om hver af forretningerne fungerer korrekt. Overraskende fandt vi ud af, at udgangsstrømmene fra de to DNA-duplekser er de samme, med minimalt energitab. Vores næste skridt er at bygge mere komplicerede DNA-kredsløb ved at bruge dette design som det grundlæggende element."

Undersøgelsen undersøgte Y-formede kredsløb, der deler ladningen mellem tre terminaler (G4+3) samt 4 terminaler (G4+4) strukturer. På grund af subtile forskelle i ladningstransportegenskaberne for de to eksperimentelle kredsløb, G4+4-motiverne viste dramatisk lavere konduktansværdier.

Disse resultater peger på G4+3-konfigurationen som en mere effektiv ladningsopdelings- og kombinationsenhed. I dette tilfælde, ladning kommer ind i krydset fra en terminal og går ud gennem en af ​​de to andre terminaler med næsten samme effektivitet.

Undersøgelsen markerer et vigtigt første skridt i etableringen af ​​G4-strukturer, der effektivt kan bære ladning gennem tre eller flere terminaler, et væsentligt krav til kontrol og elektroniske netværkskapaciteter.

Ud over at forsyne det voksende område af DNA-nanoteknologi med nye værktøjer, forskningen kan hjælpe med at belyse naturens metoder til at opretholde genetisk integritet i celler og kaste nyt lys over utallige sygdomme forbundet med nedbrydningen af ​​DNA-fejlkorrigerende mekanismer.