DNA-baseret elektromekanisk switch demonstreret

Et team af forskere fra University of California, Davis og University of Washington har vist, at ledningsevnen af ​​DNA kan moduleres ved at kontrollere dets struktur, dermed åbner muligheden for DNA's fremtidige anvendelse som en elektromekanisk switch til nanoskala-beregning. Selvom DNA er almindeligt kendt for sin biologiske rolle som livets molekyle, det har for nylig høstet stor interesse for brug som et nanoskalamateriale til en bred vifte af applikationer.

I deres papir udgivet i Naturkommunikation , holdet demonstrerede, at ændring af strukturen af ​​DNA-dobbelthelixen ved at ændre dens miljø gør det muligt at kontrollere konduktansen (den lethed, hvormed en elektrisk strøm passerer) reversibelt. Denne evne til strukturelt at modulere ladningstransportegenskaberne kan muliggøre design af unikke nanoenheder baseret på DNA. Disse enheder ville fungere ved hjælp af et helt andet paradigme end nutidens konventionelle elektronik.

"Efterhånden som elektronik bliver mindre, bliver de sværere og dyrere at fremstille, men DNA-baserede enheder kunne designes nedefra og op ved hjælp af rettet selvsamlingsteknikker såsom 'DNA origami', " sagde Josh Hihath, assisterende professor i elektro- og computerteknik ved UC Davis og seniorforfatter på papiret. DNA-origami er foldning af DNA for at skabe to- og tredimensionelle former på nanoskalaniveau.

"Der er gjort betydelige fremskridt med at forstå DNA's mekaniske, strukturel, og selvsamlende egenskaber og brugen af ​​disse egenskaber til at designe strukturer på nanoskala. De elektriske egenskaber, imidlertid, har generelt været svære at kontrollere, " sagde Hihath.

Nyt twist på DNA? Mulige paradigmer for computing

Ud over potentielle fordele ved fremstilling på nanoskalaniveau, sådanne DNA-baserede enheder kan også forbedre elektroniske kredsløbs energieffektivitet. Størrelsen af ​​enheder er blevet betydeligt reduceret i løbet af de sidste 40 år, men efterhånden som størrelsen er faldet, effekttætheden på chippen er steget. Forskere og ingeniører har udforsket nye løsninger for at forbedre effektiviteten.

"Der er ingen grund til, at beregningen skal udføres med traditionelle transistorer. Tidlige computere var fuldt mekaniske og arbejdede senere på relæer og vakuumrør, " sagde Hihath. "At flytte til en elektromekanisk platform kan i sidste ende give os mulighed for at forbedre energieffektiviteten af ​​elektroniske enheder på nanoskala."

Dette arbejde viser, at DNA er i stand til at fungere som en elektromekanisk switch og kan føre til nye paradigmer for databehandling.

At udvikle DNA til en reversibel switch, forskerne fokuserede på at skifte mellem to stabile konformationer af DNA, kendt som A-formen og B-formen. I DNA, B-formen er den konventionelle DNA-dupleks, der almindeligvis er forbundet med disse molekyler. A-formen er en mere kompakt version med forskellig afstand og hældning mellem baseparrene. Eksponering for ethanol tvinger DNA'et ind i A-form konformationen, hvilket resulterer i en øget ledningsevne. Tilsvarende ved at fjerne ethanolen, DNA'et kan skifte tilbage til B-formen og vende tilbage til sin oprindelige reducerede konduktansværdi.

Et skridt mod molekylær databehandling

For at udvikle denne opdagelse til en teknologisk levedygtig platform for elektronik, forfatterne bemærkede også, at der stadig er et stort arbejde at gøre. Selvom denne opdagelse giver en proof-of-princip demonstration af elektromekanisk skift i DNA, der er generelt to store forhindringer, der endnu skal overvindes inden for molekylær elektronik. Først, milliarder af aktive molekylære enheder skal integreres i det samme kredsløb, som det gøres i øjeblikket i konventionel elektronik. Næste, forskere skal være i stand til at gate specifikke enheder individuelt i et så stort system.

"Til sidst, det miljømæssige gating-aspekt af dette arbejde skal erstattes med et mekanisk eller elektrisk signal for lokalt at adressere en enkelt enhed, " bemærkede Hihath.