Ученые создали настраиваемую ДНК для электроники

ДНК способна проводить электрический заряд, что делает ее перспективным материалом для создания недорогих наноэлектронных устройств.

Команда под руководством исследователя из Института Biodesign Университета штата Аризона (ASU) Нонцзяня (Н.Дж.) Тао и теоретика из Университета Дьюка Дэвида Бератана научилась управлять потоком электричества через молекулу ДНК. Результаты, опубликованные в Nature Chemistry, открывают путь к созданию более стабильных и эффективных ДНК-нанопроводов и могут помочь в изучении повреждений генов.

Ключевые механизмы

Электроны могут перемещаться по цепи ДНК двумя способами:

  • Когерентный транспорт (волнообразный): Электроны движутся быстро и организованно, как по металлическому проводу.
  • Некогерентный транспорт (скачкообразный): Электроны "перепрыгивают" с одного участка на другой, как в полупроводниках.

Ранее считалось, что волнообразное поведение электронов возможно лишь на очень коротких дистанциях (до трех азотистых оснований).

Решение: "G-блоки"

Используя компьютерное моделирование, команда Бератана обнаружила, что определенные последовательности оснований могут усиливать волнообразное поведение электронов на больших расстояниях. Наилучшую электропроводность показали чередующиеся блоки из пяти гуаниновых (G) оснований.

Теория: такие блоки из G-оснований "сцепляются" и движутся как единое целое, что снижает разрушающее влияние случайных колебаний цепи ДНК на волновое поведение электронов.

Экспериментальное подтверждение

Группа Тао провела эксперименты по проводимости на коротких цепях ДНК (от 6 до 16 оснований) с чередующимися блоками гуанина (G) и цитозина (C) по схеме "CxGx" ("G-блоки").

Результат: Была обнаружена четно-нечетная закономерность в способности ДНК транспортировать электроны.

  • При нечетном числе оснований в блоке сопротивление было ниже, а электроны двигались быстрее и свободнее (волнообразно).
  • Это позволило осуществлять точный контроль на молекулярном уровне, заставляя электроны либо "скакать", либо течь быстро, просто меняя последовательность ДНК.

Эксперименты подтвердили теоретические предсказания.

Значение и перспективы

Исследование разрешает давние споры о природе транспорта электронов в ДНК и дает основу для:

  1. Дизайна ДНК-наноэлектроники (на команду уже поданы несколько патентов).
  2. Понимания роли переноса электронов в биологических системах.

Например, основание "G" наиболее подвержено окислительному повреждению (потере электрона), а длинные последовательности G-оснований находятся на концах хромосом (теломеры), чье укорочение связано со старением.

Вывод: Точная последовательность ДНК диктует, будут ли электроны перемещаться как частицы или как волны, что открывает путь к "инженерии волновых свойств электрона".