DNA, de dingen van het leven, kan heel goed ook een schok zijn voor ingenieurs die proberen de ontwikkeling van kleine, goedkope elektronische apparaten.

Net zoals thuis je lichtschakelaar omdraaien - alleen op schaal 1, 000 keer kleiner dan een mensenhaar - een door ASU geleid team heeft nu de eerste controleerbare DNA-schakelaar ontwikkeld om de stroom van elektriciteit binnen een enkele, atomaire molecuul. De nieuwe studie, onder leiding van ASU Biodesign Institute-onderzoeker Nongjian Tao, werd gepubliceerd in het geavanceerde online tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Er is vastgesteld dat ladingstransport mogelijk is in DNA, maar voor een handig apparaat, men wil het laadtransport aan en uit kunnen zetten. We hebben dit doel bereikt door DNA chemisch te modificeren, " zei Tao, die het Biodesign Center for Bioelectronics and Biosensors leidt en professor is aan de Fulton Schools of Engineering. "Niet alleen dat, maar we kunnen het gemodificeerde DNA ook aanpassen als een sonde om reacties op het niveau van één molecuul te meten. Dit biedt een unieke manier voor het bestuderen van belangrijke reacties die betrokken zijn bij ziekte, of fotosynthesereacties voor nieuwe toepassingen van hernieuwbare energie."

Ingenieurs denken vaak aan elektriciteit als water, en de nieuwe DNA-schakelaar van het onderzoeksteam regelt de stroom van elektronen aan en uit, net als water dat uit een kraan komt.

Eerder, Tao's onderzoeksgroep had verschillende ontdekkingen gedaan om DNA te begrijpen en te manipuleren om de stroom van elektriciteit erdoorheen nauwkeuriger af te stemmen. Ze ontdekten dat ze DNA op verschillende manieren konden laten gedragen - en elektronen konden overhalen om als golven te stromen volgens de kwantummechanica, of "hopen" als konijnen in de manier waarop elektriciteit in een koperdraad werkt — een opwindende nieuwe weg creëren voor op DNA gebaseerde, nano-elektronische toepassingen.

Tao stelde een multidisciplinair team samen voor het project, waaronder ASU-postdoctoraal student Limin Xiang en Li Yueqi die bench-experimenten uitvoeren, Julio Palma werkt aan het theoretisch kader, met verdere hulp en toezicht van medewerkers Vladimiro Mujica (ASU) en Mark Ratner (Northwestern University).

Om hun technische prestatie te volbrengen, Tao's groep, gemodificeerde slechts één van DNA's iconische dubbele helix chemische letters, afgekort als A, C, T of G, met een andere chemische groep, antrachinon (Aq) genoemd. Anthrachinon is een koolstofstructuur met drie ringen die tussen DNA-basenparen kan worden ingebracht, maar bevat wat chemici een redoxgroep noemen (afkorting van reductie, of het verkrijgen van elektronen of oxidatie, elektronen kwijt).

Deze chemische groepen vormen ook de basis voor hoe ons lichaam chemische energie omzet via schakelaars die alle elektrische pulsen naar onze hersenen sturen, ons hart en communiceren signalen binnen elke cel die mogelijk betrokken zijn bij de meest voorkomende ziekten.

De gemodificeerde Aq-DNA-helix kan het nu helpen de omschakeling uit te voeren, comfortabel glijden tussen de sporten die deel uitmaken van de ladder van de DNA-helix, en het een nieuw gevonden vermogen te geven om omkeerbaar elektronen te winnen of te verliezen.

Door hun studie, toen ze het DNA tussen een paar elektroden klemden, ze controleerden zorgvuldig hun elektrische veld en maten het vermogen van het gemodificeerde DNA om elektriciteit te geleiden. Dit werd uitgevoerd met behulp van een nietje van nano-elektronica, een scanning tunneling microscoop, die werkt als de punt van een elektrode om een ​​verbinding te voltooien, herhaaldelijk in en uit contact worden getrokken met de DNA-moleculen in de oplossing, zoals een vinger die een waterdruppel aanraakt.

"We ontdekten dat het elektronentransportmechanisme in het huidige antrachinon-DNA-systeem de voorkeur geeft aan elektronen "hoppen" via antrachinon en gestapelde DNA-basen, " zei Tao. Bovendien, ze ontdekten dat ze de geleidingstoestanden omkeerbaar konden regelen om het DNA in te schakelen (hoge geleiding) of uit te schakelen (lage geleiding). Wanneer antrachinon de meeste elektronen heeft gekregen (de meest gereduceerde toestand), het is veel meer geleidend, en het team bracht nauwkeurig een 3D-afbeelding in kaart om te verklaren hoe antrachinon de elektrische toestand van het DNA regelde.

Voor hun volgende project, ze hopen hun studies uit te breiden om een ​​stap dichter bij het realiseren van DNA-nano-apparaten te komen.

"We zijn bijzonder verheugd dat het gemanipuleerde DNA een mooi hulpmiddel is om de redoxreactiekinetiek te onderzoeken, en thermodynamica op het niveau van één molecuul, ' zei Tao.