Tændt DNA:Sparking nano-elektroniske applikationer

DNA, livets ting, kan meget vel også pakke ret meget for ingeniører, der forsøger at fremme udviklingen af ​​små, billige elektroniske enheder.

Ligesom at vende din lyskontakt derhjemme —- kun på en skala 1, 000 gange mindre end et menneskehår-et ASU-ledet team har nu udviklet den første kontrollerbare DNA-switch til at regulere strømmen af ​​elektricitet inden for en enkelt, atomformet molekyle. Den nye undersøgelse, ledet af ASU Biodesign Institute -forsker Nongjian Tao, blev offentliggjort i den avancerede online journal Naturkommunikation .

"Det er blevet fastslået, at ladningstransport er mulig i DNA, men for en nyttig enhed, man ønsker at kunne tænde og slukke ladetransporten. Vi nåede dette mål ved kemisk at modificere DNA, "sagde Tao, der leder Biodesign Center for Bioelektronik og Biosensorer og er professor i Fulton Schools of Engineering. "Ikke kun det, men vi kan også tilpasse det modificerede DNA som en sonde til at måle reaktioner på enkeltmolekylniveau. Dette giver en unik måde at studere vigtige reaktioner, der er impliceret i sygdom, eller fotosyntesereaktioner for nye applikationer til vedvarende energi. "

Ingeniører tænker ofte på elektricitet som vand, og forskerholdets nye DNA -switch fungerer til at styre elektronstrømmen til og fra, ligesom vand der kommer ud af en vandhane.

Tidligere har Taos forskergruppe havde gjort flere opdagelser for at forstå og manipulere DNA for mere finjusteret strømmen af ​​elektricitet gennem det. De fandt ud af, at de kunne få DNA til at opføre sig på forskellige måder - og kunne få elektroner til at strømme som bølger ifølge kvantemekanik, eller "hop" som kaniner på den måde, elektricitet i en kobbertråd fungerer-skaber en spændende ny vej til DNA-baseret, nano-elektroniske applikationer.

Tao samlede et tværfagligt team til projektet, herunder ASU postdoktorel Limin Xiang og Li Yueqi, der udfører bænkforsøg, Julio Palma arbejder på de teoretiske rammer, med yderligere hjælp og tilsyn fra samarbejdspartnere Vladimiro Mujica (ASU) og Mark Ratner (Northwestern University).

For at opnå deres ingeniørarbejde, Taos gruppe, ændret kun et af DNAs ikoniske dobbelt helix kemiske bogstaver, forkortet som A, C, T eller G, med en anden kemisk gruppe, kaldet anthraquinon (Aq). Anthraquinon er en tre-ringet kulstofstruktur, der kan indsættes mellem DNA-basepar, men indeholder, hvad kemikere kalder en redox-gruppe (forkortelse for reduktion, eller får elektroner eller oxidation, taber elektroner).

Disse kemiske grupper er også grundlaget for, hvordan vores kroppe konverterer kemisk energi gennem kontakter, der sender alle de elektriske pulser i vores hjerner, vores hjerter og kommunikerer signaler inden for hver celle, der kan være impliceret i de mest udbredte sygdomme.

Den modificerede Aq-DNA-helix kunne nu hjælpe den med at udføre skiftet, glider behageligt ind mellem trinene, der udgør stigen i DNA -spiralen, og skænker det en ny fundet evne til reversibelt at få eller tabe elektroner.

Gennem deres studier, da de klemte DNA'et mellem et par elektroder, de kontrollerede omhyggeligt deres elektriske felt og målte det modificerede DNA's evne til at lede elektricitet. Dette blev udført ved hjælp af et hæfteklammer af nano-elektronik, et scannende tunnelmikroskop, som fungerer som spidsen af ​​en elektrode for at fuldføre en forbindelse, bliver trukket gentagne gange ind og ud af kontakt med DNA -molekylerne i opløsningen som en finger, der rører ved en vanddråbe.

"Vi fandt elektrontransportmekanismen i det nuværende anthraquinon-DNA-system, der favoriserer elektron" hop "via anthraquinon og stablede DNA-baser, "sagde Tao. Desuden de fandt, at de reversibelt kunne styre konduktanstilstandene for at få DNA'et til at tænde (høj konduktans) eller slukke (lav konduktans). Når anthraquinon har fået flest elektroner (dets mest reducerede tilstand), det er langt mere ledende, og teamet kortlagde fint et 3D-billede for at redegøre for, hvordan anthraquinon kontrollerede DNA'ets elektriske tilstand.

Til deres næste projekt, de håber at forlænge deres studier for at komme et skridt tættere på at gøre DNA-nano-enheder til virkelighed.

"Vi er særligt begejstrede for, at det konstruerede DNA giver et godt redskab til at undersøge redoxreaktionskinetik, og termodynamik det enkelte molekylniveau, "sagde Tao.