科学家为电子应用设计可调DNA

DNA可能是生命的蓝图，但它也是由几个简单的化学构建块组成的分子。它的特性之一是能够进行电荷，是工程领域最热门的领域之一，致力于开发新颖，低成本的纳米电子器件。现在，由ASU生物设计研究所研究员Nongjian(NJ)Tao和Duke理论家David Beratan领导的团队已经能够理解和操纵DNA，以更精细地调整通过它的电流。关键的发现，可以使DNA以不同的方式表现 - 哄骗电子像电流通过金属线一样平稳地流动，或者像电子电脑和手机一样的半导体材料跳跃电子，为激动人心的新途径铺平了道路研究进展。

发表在自然化学在线版上的结果可能为设计更稳定和有效的DNA纳米线提供了一个框架，并为了解DNA导电性如何用于鉴定基因损伤提供了框架。在最近的一系列作品的基础上，该团队已经能够更好地理解DNA对电子的亲和力背后的物理力量。“我们已经能够在理论上和实验上证明我们可以通过改变”A，T，C或G“化学碱基的序列，通过改变其长度，通过以不同的方式和方向堆叠它们来使DNA可调，或者通过在不同的水环境中沐浴它，“陶说，他是生物电子和生物传感器生物设计中心的负责人。

与陶一起，研究团队由亚利桑那州立大学的同事组成，包括首席合着者李民祥和李月琪，以及杜克大学的Chaoren Liu，Peng Zheng和David Beratan。

未开发的潜力

每个分子或物质都有自己独特的电子吸引力 - 带负电的粒子围绕每个原子跳动。一些分子是自私的，不惜一切代价保持或获得电子，而其他分子则更加慷慨，更自由地将它们捐赠给有需要的人。

但在生活的化学中，探戈需要两个人。对于每个电子供体，都有一个受体。这些不同的电子舞蹈伙伴推动所谓的氧化还原反应，为我们体内的大多数基本化学过程提供能量。例如，当我们吃食物时，一个糖分子被分解产生24个电子，继续为我们的身体提供能量。每个DNA分子都含有能量，称为氧化还原电位，以十分之一电子伏特为单位测量。这种电势同样在每个神经细胞的外膜中产生，其中神经递质触发形成我们思想的100万亿个神经元之间的电子通信。

但是这里DNA导电的能力变得复杂。而这一切都是因为电子的特殊性质 - 由于量子力学固有的古怪性，它们可以表现得像波浪或粒子。

杜克大学化学教授兼公爵团队负责人大卫·N·贝拉坦说，科学家们长期以来一直不同意电子如何沿着DNA链传播。

“想想穿越河流，”陶氏实验室的博士后研究员Limin Xiang解释道。“你可以在桥上快速走过，或者尝试从一块石头跳到另一块岩石.DNA中的电子表现得像试图越过河流一样，取决于DNA中包含的化学信息。

Tao先前的研究结果表明，在短距离内，电子通过量子隧道穿过DNA流动，这种隧道像波浪一样快速地穿过池塘。在更长的距离上，它们更像粒子，跳跃起作用。

Duke研究生和共同主要作者Chaoren Liu说，这个结果很有趣，因为在波浪中传播的电子基本上进入了“快车道”，其移动的组织和效率比跳跃的更快。

“在我们的研究中，我们首先要确认这种类似波浪的行为实际上存在于更远的距离上，”刘说。“其次，我们想了解这种机制，以便我们能够使这种类似波浪的行为变得更强或将其扩展到更远的距离。”

轻拂开关

DNA链构建成链状，每个链接包含四个分子碱基中的一个，其序列编码我们细胞的遗传指令。像金属链一样，DNA链可以很容易地改变形状，弯曲，卷曲和摆动，因为它们与周围的其他分子碰撞。

所有这些弯曲和摆动都会破坏电子像波浪一样传播的能力。以前，人们认为电子只能在最多三个碱基上共享。

通过计算机模拟，Beratan团队发现某些碱基序列可以增强电子共享，导致长距离波浪状行为。特别是，他们发现堆叠交替的五个鸟嘌呤(G)碱基系列产生了最佳的导电性。

该小组认为，创造这些G碱基块会使它们全部“锁定”在一起，因此电子的波状行为不太可能被DNA链的随机运动破坏。

“我们可以认为这些基础有效地联系在一起，所以它们都是一体的。这有助于电子在块内共享，”刘说。

接下来，Tao组在短的6到16个碱基DNA链上进行电导率实验，携带三到八个鸟嘌呤碱基的交替块。通过将测试DNA连接在一对两个金电极之间，该团队可以翻转并控制一个小电流来测量流过分子的电荷量。

他们发现，通过改变DNA字母的简单重复“CxGx”模式(他们将数字奇数或偶数G或C字母称为“G块”)，DNA的能力存在奇怪的模式。传输电子。奇数，电阻较小，电子流动速度更快，更自由(更波浪状)，可以在DNA上穿过一条路径。

他们能够发挥精确的分子水平控制并使电子跳跃(称为非相干传输，大多数半导体中发现的类型)或基于DNA序列模式的变化流动更快(相干传输，金属中发现的类型)。

实验工作证实了该理论的预测。

信息费

Beratan说，这些结果揭示了对DNA中电子传递的确切性质的长期争议，并可能为DNA纳米电子的设计和生物系统中电子传递的作用提供见解。

除了实用的基于DNA的电子应用程序(该小组已经提交了多项专利)之外，其中一个更有趣的方面是将他们的工作 - 简单的简单DNA延伸 - 与复杂的DNA生物学相关联。细胞。

对于存活而言，最重要的是每次细胞分裂时保持DNA的保真度以传递DNA序列的精确拷贝。尽管细胞中存在许多冗余的保护机制，但有时会出现问题，导致疾病。例如，吸收过多的紫外线会使DNA发生变异，并引发皮肤癌。

其中一个DNA化学字母“G”最容易因失去电子而受到氧化损伤(想想生锈的铁 - 这是类似氧化过程的结果)。Xiang指出，在每条染色体的末端也发现了很长的G，由一种称为端粒酶的特殊酶维持。缩短这些G片段与衰老有关。

但就目前而言，研究团队已经解决了DNA信息如何影响电荷的谜团。“这个理论框架向我们展示了DNA的确切序列有助于决定电子是否像粒子一样传播，当它们像波浪一样传播时，”Beratan说。“你可以说我们正在设计电子的波浪般的个性。”