Wetenschappers streven er wereldwijd naar om chemische reacties te beheersen - een ambitieus doel dat vereist dat de stappen worden geïdentificeerd die door initiële reactanten worden genomen om tot de eindproducten te komen terwijl de reactie plaatsvindt. Hoewel deze droom nog moet worden gerealiseerd, technieken voor het onderzoeken van chemische reacties zijn voldoende gevorderd om dit mogelijk te maken. In feite, chemische reacties kunnen nu worden gevolgd op basis van de verandering van elektronische eigenschappen van een enkel molecuul! Dankzij de scanning tunneling microscoop (STM), dit is ook eenvoudig te realiseren. Waarom dan niet een benadering met één molecuul gebruiken om ook reactiepaden te ontdekken?

Met dit doel, wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology, Japan besloot de "hybridisatie" van DNA (vorming van een dubbelstrengs DNA uit twee enkelstrengs DNA) te onderzoeken door de veranderingen in de elektrische geleidbaarheid van een enkel molecuul te meten met behulp van een STM. "Single-molecule-onderzoeken kunnen vaak nieuwe details onthullen over chemische en biologische processen die niet kunnen worden geïdentificeerd in een bulkverzameling van moleculen vanwege het gemiddelde van het individuele molecuulgedrag, " legt prof. Tomoaki Nishino uit, die deel uitmaakte van de studie, onlangs gepubliceerd in Chemische Wetenschappen .

De wetenschappers bevestigden een enkelstrengs DNA (ssDNA) aan een STM-tip gemaakt van goud en gebruikten een platte gouden film om de complementaire streng erop te plakken via een proces dat bekend staat als 'adsorptie'. Vervolgens brachten ze een voorspanning aan tussen de gecoate STM-tip en het gouden oppervlak en brachten de tip extreem dicht bij het oppervlak zonder deze aan te raken (Fig. 1). Dit, beurtelings, liet een stroom door de tussenruimte vloeien vanwege een proces dat bekend staat als 'quantumtunneling'. Chemici volgden de tijdsvariatie van deze tunnelstroom terwijl de DNA-strengen met elkaar in wisselwerking stonden.

Het team verkreeg stroomsporen die plateaugebieden afbeelden gevormd door steile hellingen en daaropvolgende dalingen in de tunnelstroom. Verder, deze plateaus vormden zich niet wanneer het goudoppervlak niet werd gemodificeerd met ssDNA of werd gemodificeerd met een niet-complementaire streng. Op basis hiervan, wetenschappers schreven de plateaus toe aan de vorming van een dubbelstrengs DNA (dsDNA) als gevolg van hybridisatie van ssDNA op de STM-tip en het oppervlak. gelijkwaardig, ze schreven de abrupte afname van de stroom toe aan de afbraak of "dehybridisatie" van het dsDNA als gevolg van thermische agitatie.

Het team onderzocht vervolgens de kinetiek (tijdsevolutie van de reactie) van de dehybridisatie- en hybridisatieprocessen met behulp van experimentele resultaten en moleculaire dynamische simulaties. De eerste onthulde een plateaugeleiding onafhankelijk van de DNA-concentratie, bevestigen dat de huidige metingen de geleidbaarheid van één molecuul weerspiegelden, terwijl de laatste de vorming van een gedeeltelijk gehybridiseerd DNA-tussenproduct suggereerde dat niet alleen door geleiding kon worden gedetecteerd.

interessant, de hybridisatie-efficiëntie was hoger voor monsters met een hoge DNA-concentratie, in tegenspraak met de bevindingen van een eerdere studie gemaakt met bulk ssDNA-oplossing. Chemici schreven deze waarneming toe aan de afwezigheid van bulkdiffusie in hun onderzoek.

"Deze nieuwe inzichten moeten bijdragen aan verbeterde prestaties voor veel op DNA gebaseerde diagnoses, " merkt prof. Nishino op, enthousiast over de bevindingen, "In aanvulling, onze methode kan worden uitgebreid tot het onderzoek van intermoleculaire chemische reacties tussen verschillende afzonderlijke moleculen, waardoor een mechanisch begrip van chemische reacties mogelijk wordt, evenals de ontdekking van nieuwe chemische reactiviteit vanuit het perspectief van een enkel molecuul."