Een team van onderzoekers van de Universiteit van Californië, Davis en de Universiteit van Washington hebben aangetoond dat de geleiding van DNA kan worden gemoduleerd door de structuur ervan te regelen, waardoor de mogelijkheid wordt geopend voor toekomstig gebruik van DNA als een elektromechanische schakelaar voor computergebruik op nanoschaal. Hoewel DNA algemeen bekend staat om zijn biologische rol als levensmolecuul, het heeft onlangs aanzienlijke belangstelling gekregen voor gebruik als materiaal op nanoschaal voor een breed scala aan toepassingen.

In hun paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , het team toonde aan dat het veranderen van de structuur van de dubbele DNA-helix door het wijzigen van de omgeving het mogelijk maakt om de conductantie (het gemak waarmee een elektrische stroom passeert) omkeerbaar te regelen. Dit vermogen om de ladingstransporteigenschappen structureel te moduleren, kan het ontwerp van unieke nanodevices op basis van DNA mogelijk maken. Deze apparaten zouden werken met een heel ander paradigma dan de conventionele elektronica van vandaag.

"Naarmate elektronica kleiner wordt, wordt het moeilijker en duurder om te produceren, maar DNA-gebaseerde apparaten kunnen van onderaf worden ontworpen met behulp van gerichte zelfassemblagetechnieken zoals 'DNA-origami', " zei Josh Hihath, assistent-professor elektrische en computertechniek aan UC Davis en senior auteur op het papier. DNA-origami is het vouwen van DNA om twee- en driedimensionale vormen te creëren op nanoschaalniveau.

"Er is aanzienlijke vooruitgang geboekt in het begrijpen van de mechanische, structureel, en zelfassemblage-eigenschappen en het gebruik van deze eigenschappen om structuren op nanoschaal te ontwerpen. De elektrische eigenschappen, echter, waren over het algemeen moeilijk te controleren, " zei Hihath.

Nieuwe draai aan DNA? Mogelijke paradigma's voor computergebruik

Naast potentiële voordelen bij fabricage op nanoschaalniveau, dergelijke op DNA gebaseerde apparaten kunnen ook de energie-efficiëntie van elektronische circuits verbeteren. De grootte van apparaten is de afgelopen 40 jaar aanzienlijk verminderd, maar naarmate de maat kleiner is geworden, de vermogensdichtheid op de chip is toegenomen. Wetenschappers en ingenieurs hebben nieuwe oplossingen onderzocht om de efficiëntie te verbeteren.

"Er is geen reden dat berekeningen met traditionele transistors moeten worden gedaan. Vroege computers waren volledig mechanisch en werkten later aan relais en vacuümbuizen, "Zei Hihath. "De overstap naar een elektromechanisch platform kan ons uiteindelijk in staat stellen om de energie-efficiëntie van elektronische apparaten op nanoschaal te verbeteren."

Dit werk toont aan dat DNA kan werken als een elektromechanische schakelaar en zou kunnen leiden tot nieuwe paradigma's voor computergebruik.

Om DNA te ontwikkelen tot een omkeerbare schakelaar, de wetenschappers concentreerden zich op het schakelen tussen twee stabiele conformaties van DNA, bekend als de A-vorm en de B-vorm. in DNA, de B-vorm is de conventionele DNA-duplex die gewoonlijk met deze moleculen wordt geassocieerd. De A-vorm is een compactere versie met verschillende afstanden en hellingen tussen de basenparen. Blootstelling aan ethanol dwingt het DNA in de A-vorm conformatie, wat resulteert in een verhoogde geleiding. evenzo, door de ethanol te verwijderen, het DNA kan terugschakelen naar de B-vorm en terugkeren naar zijn oorspronkelijke verminderde geleidbaarheidswaarde.

Een stap in de richting van moleculaire computing

Om deze bevinding te ontwikkelen tot een technologisch haalbaar platform voor elektronica, de auteurs constateerden ook dat er nog veel werk aan de winkel is. Hoewel deze ontdekking een principieel bewijs levert van elektromechanische schakeling in DNA, er zijn over het algemeen twee grote hindernissen die nog moeten worden overwonnen op het gebied van moleculaire elektronica. Eerst, miljarden actieve moleculaire apparaten moeten worden geïntegreerd in hetzelfde circuit als momenteel wordt gedaan in conventionele elektronica. Volgende, wetenschappers moeten in zo'n groot systeem in staat zijn om specifieke apparaten afzonderlijk te poorten.

"Eventueel, het omgevingsaspect van dit werk zal moeten worden vervangen door een mechanisch of elektrisch signaal om een ​​enkel apparaat lokaal aan te pakken, " merkte Hihath op.