Voor pure veelzijdigheid, er is geen molecuul zoals DNA. De iconische dubbele helix draagt ​​de genetische blauwdruk voor levende vormen, variërend van eencellige organismen tot mensen.

Onlangs, onderzoekers hebben ontdekt dat DNA's opmerkelijke eigenschappen van zelfassemblage en het vermogen om elektrische lading over aanzienlijke afstanden te geleiden, het bij uitstek geschikt maken voor talloze toepassingen, inclusief kleine elektronische schakelingen en computerapparatuur, nanorobots en nieuwe ontwikkelingen in fotonica.

Onderzoekers van de Arizona State University, in samenwerking met NYU en Duke University, onlangs hebben ontworpen, creëerde en testte een DNA-circuit dat in staat is om stroom te splitsen en te combineren, net als een adapter die meerdere apparaten op een stopcontact kan aansluiten.

Nongjian "N.J." Tao, een co-auteur van de nieuwe studie, heeft gewerkt aan het verfijnen van het vermogen van DNA om lading stabieler en efficiënter te transporteren, een essentiële hindernis op weg naar een nieuwe generatie biologisch gebaseerde apparaten.

"Het vermogen van DNA om elektrische lading te transporteren wordt al enige tijd onderzocht, " zegt Tao, die het Biodesign Center for Bioelectronics and Biosensors leidt. "Het splitsen en recombineren van stroom is een basiseigenschap van conventionele elektronische circuits. We willen dit vermogen nabootsen in DNA, maar tot nu toe, dit was een hele uitdaging."

Huidige splitsing in DNA-structuren met drie of meer terminals is moeilijk omdat lading de neiging heeft om snel te verdwijnen op splitsingsknooppunten of convergentiepunten. In de nieuwe studie een speciaal formulier, bekend als G-quadruplex (G4) DNA wordt gebruikt om de eigenschappen van ladingstransport te verbeteren. Zoals de naam impliceert, G4-DNA is samengesteld uit vier in plaats van twee strengen DNA die rijk zijn aan het nucleotide guanine.

"DNA is in staat om lading te geleiden, maar om bruikbaar te zijn voor nano-elektronica, het moet in staat zijn om lading langs meer dan één pad te leiden door het te splitsen of te combineren. We hebben dit probleem opgelost door de guanine quadruplex (G4) te gebruiken waarin een lading kan aankomen op een duplex aan de ene kant van dit apparaat en uit een van de twee duplexen aan de andere kant kan gaan", zegt Peng Zhang, een assistent-onderzoeksprofessor scheikunde aan de Duke University en een co-auteur van de nieuwe studie.

"Dit is de eerste stap die nodig is om lading te transporteren door een vertakkende structuur die uitsluitend van DNA is gemaakt. Het is waarschijnlijk dat verdere stappen zullen resulteren in succesvolle op DNA gebaseerde nano-elektronica die transistorachtige apparaten omvat in zelfassemblerende 'voorgeprogrammeerde' materialen, "zegt Zhang.

Samen met Tao en Zheng, het onderzoeksteam bestond uit Tao's ASU-collega's, Limin Xiang en Yueqi Li; Ruojie Sha en Nadrian C. Seeman van NYU; en Chaoren Liu, Alexander Balaeff, Yuqi Zhang en David N. Beratan van Duke University.

Resultaten van de nieuwe studie verschijnen in het geavanceerde online nummer van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

DNA is een zeer aantrekkelijk materiaal voor het ontwerpen en creëren van nieuwe nano-elektronica. De vier nucleotidebasen van het molecuul met het label A, T, C en G kunnen worden geprogrammeerd om zichzelf te assembleren tot iconische dubbele helices, in elkaar klikken als bij elkaar passende puzzelstukjes, Een altijd binding met T en C met G. Een breed scala aan twee- en driedimensionale DNA-vormen is synthetisch ontworpen en gebouwd op deze eenvoudige principes.

Maar het molecuul kan ook samenkomen om G4-DNA te vormen. Inderdaad, natuurlijk voorkomend guanine-rijk quadruplex-DNA heeft een aantal belangrijke fysiologische functies. Dergelijke DNA-configuraties komen voor aan de uiteinden van lineaire chromosomen, in structuren die bekend staan ​​als telomeren, die een cruciale rol spelen bij de regulatie van veroudering. Van DNA-quadruplexen in telomeren is aangetoond dat ze de activiteit van telomerase verminderen - een enzym dat verantwoordelijk is voor de telomeerlengte en betrokken is bij ongeveer 85 procent van alle kankers. G4 quadruplexen zijn daarom het medicijndoelwit voor belangrijke therapieën.

In G4-structuren, DNA neemt de vorm aan van gestapelde guaninebasen die waterstofbruggen vormen met hun twee directe buren. De G4-structuur in het hart van de nieuwe experimenten, met zijn verbeterde eigenschappen van ladingstransport, toegestane onderzoekers, Voor de eerste keer, om effectieve geleidende paden te ontwerpen tussen het gestapelde G-quadruplex-DNA en de dubbelstrengs draden die de terminals vormen voor het splitsen of samenvoegen van elektrische stroom.

Eerdere pogingen om zo'n Y-vormige elektrische junctie te creëren met alleen conventioneel dubbelstrengs DNA waren mislukt, vanwege de zeer slechte ladingstransporteigenschappen die inherent zijn aan de knooppunten van het circuit. Het gebruik van G4-DNA als een connectorelement in DNA-juncties met meerdere uiteinden bleek het ladingstransport door zowel drie- als vierterminale DNA-circuits drastisch te verbeteren.

De studie heeft rechtstreeks de geleidbaarheid van lading gemeten via de op G4 gebaseerde nanostructuur, met behulp van een apparaat dat bekend staat als een scanning tunneling microscoop of STM. Het DNA-molecuul dat bestaat uit de G4-kern met dubbelstrengs draden die de splitsingsterminals vormen, is chemisch geïmmobiliseerd tussen een gouden substraat en de gouden punt van het STM-apparaat.

De punt van de STM wordt herhaaldelijk in en uit contact met het molecuul gebracht, het verbreken en hervormen van de kruising terwijl de stroom door elke terminal wordt geregistreerd. Duizenden sporen werden verzameld voor elk DNA-kandidaatmolecuul. Met behulp van deze break junction STM-methode konden de onderzoekers ontwerpen, een verscheidenheid aan prototypecircuits meten en finetunen voor maximale ladingstransporteigenschappen.

"Mijn rol in dit project was het meten van de conductantie-output van de twee DNA-duplexen in ons ontwerp, ", zegt Biodesign-onderzoeker Limin Xiang. "Als je denkt aan de stekkerdoos op je werkplek, mijn taak was om te controleren of elk van de verkooppunten goed werkt. Verrassend genoeg ontdekten we dat de uitgangsstromen van de twee DNA-duplexen hetzelfde zijn, met minimaal energieverlies. Onze volgende stap is om meer gecompliceerde DNA-circuits te bouwen door dit ontwerp als basiselement te gebruiken."

De studie onderzocht Y-vormige circuits die de lading splitsen tussen drie terminals (G4+3) en 4-terminal (G4+4) structuren. Vanwege subtiele verschillen in de ladingstransporteigenschappen van de twee experimentele circuits, de G4+4-motieven vertoonden dramatisch lagere geleidbaarheidswaarden.

Deze resultaten wijzen op de G4+3-configuratie als een effectiever apparaat voor het splitsen en combineren van ladingen. In dit geval, lading komt het knooppunt binnen vanaf één terminal en verlaat het via een van de andere twee terminals met bijna gelijke efficiëntie.

De studie markeert een belangrijke eerste stap in het opzetten van G4-structuren die in staat zijn om efficiënt lading door drie of meer terminals te vervoeren, een essentiële vereiste voor besturing en elektronische netwerkmogelijkheden.

Naast het uitrusten van het groeiende veld van DNA-nanotechnologie met nieuwe hulpmiddelen, het onderzoek kan helpen bij het verhelderen van de methoden van de natuur om de genetische integriteit in cellen te behouden en nieuw licht te werpen op talloze ziekten die verband houden met de afbraak van DNA-foutcorrigerende mechanismen.