DNA可能是生命的藍(lán)圖，但它也是由幾個(gè)簡單的化學(xué)構(gòu)建塊組成的分子。它的特性之一是能夠進(jìn)行電荷，是工程領(lǐng)域最熱門的領(lǐng)域之一，致力于開發(fā)新穎，低成本的納米電子器件?，F(xiàn)在，由ASU生物設(shè)計(jì)研究所研究員Nongjian(NJ)Tao和Duke理論家David Beratan領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠理解和操縱DNA，以更精細(xì)地調(diào)整通過它的電流。關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)，可以使DNA以不同的方式表現(xiàn) - 哄騙電子像電流通過金屬線一樣平穩(wěn)地流動(dòng)，或者像電子電腦和手機(jī)一樣的半導(dǎo)體材料跳躍電子，為激動(dòng)人心的新途徑鋪平了道路研究進(jìn)展。

發(fā)表在自然化學(xué)在線版上的結(jié)果可能為設(shè)計(jì)更穩(wěn)定和有效的DNA納米線提供了一個(gè)框架，并為了解DNA導(dǎo)電性如何用于鑒定基因損傷提供了框架。在最近的一系列作品的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠更好地理解DNA對(duì)電子的親和力背后的物理力量。“我們已經(jīng)能夠在理論上和實(shí)驗(yàn)上證明我們可以通過改變”A，T，C或G“化學(xué)堿基的序列，通過改變其長度，通過以不同的方式和方向堆疊它們來使DNA可調(diào)，或者通過在不同的水環(huán)境中沐浴它，“陶說，他是生物電子和生物傳感器生物設(shè)計(jì)中心的負(fù)責(zé)人。

與陶一起，研究團(tuán)隊(duì)由亞利桑那州立大學(xué)的同事組成，包括首席合著者李民祥和李月琪，以及杜克大學(xué)的Chaoren Liu，Peng Zheng和David Beratan。

未開發(fā)的潛力

每個(gè)分子或物質(zhì)都有自己獨(dú)特的電子吸引力 - 帶負(fù)電的粒子圍繞每個(gè)原子跳動(dòng)。一些分子是自私的，不惜一切代價(jià)保持或獲得電子，而其他分子則更加慷慨，更自由地將它們捐贈(zèng)給有需要的人。

但在生活的化學(xué)中，探戈需要兩個(gè)人。對(duì)于每個(gè)電子供體，都有一個(gè)受體。這些不同的電子舞蹈伙伴推動(dòng)所謂的氧化還原反應(yīng)，為我們體內(nèi)的大多數(shù)基本化學(xué)過程提供能量。例如，當(dāng)我們吃食物時(shí)，一個(gè)糖分子被分解產(chǎn)生24個(gè)電子，繼續(xù)為我們的身體提供能量。每個(gè)DNA分子都含有能量，稱為氧化還原電位，以十分之一電子伏特為單位測量。這種電勢同樣在每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的外膜中產(chǎn)生，其中神經(jīng)遞質(zhì)觸發(fā)形成我們思想的100萬億個(gè)神經(jīng)元之間的電子通信。

但是這里DNA導(dǎo)電的能力變得復(fù)雜。而這一切都是因?yàn)殡娮拥奶厥庑再|(zhì) - 由于量子力學(xué)固有的古怪性，它們可以表現(xiàn)得像波浪或粒子。

杜克大學(xué)化學(xué)教授兼公爵團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人大衛(wèi)·N·貝拉坦說，科學(xué)家們長期以來一直不同意電子如何沿著DNA鏈傳播。

“想想穿越河流，”陶氏實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Limin Xiang解釋道。“你可以在橋上快速走過，或者嘗試從一塊石頭跳到另一塊巖石.DNA中的電子表現(xiàn)得像試圖越過河流一樣，取決于DNA中包含的化學(xué)信息。

Tao先前的研究結(jié)果表明，在短距離內(nèi)，電子通過量子隧道穿過DNA流動(dòng)，這種隧道像波浪一樣快速地穿過池塘。在更長的距離上，它們更像粒子，跳躍起作用。

Duke研究生和共同主要作者Chaoren Liu說，這個(gè)結(jié)果很有趣，因?yàn)樵诓ɡ酥袀鞑サ碾娮踊旧线M(jìn)入了“快車道”，其移動(dòng)的組織和效率比跳躍的更快。

“在我們的研究中，我們首先要確認(rèn)這種類似波浪的行為實(shí)際上存在于更遠(yuǎn)的距離上，”劉說。“其次，我們想了解這種機(jī)制，以便我們能夠使這種類似波浪的行為變得更強(qiáng)或?qū)⑵鋽U(kuò)展到更遠(yuǎn)的距離。”

輕拂開關(guān)

DNA鏈構(gòu)建成鏈狀，每個(gè)鏈接包含四個(gè)分子堿基中的一個(gè)，其序列編碼我們細(xì)胞的遺傳指令。像金屬鏈一樣，DNA鏈可以很容易地改變形狀，彎曲，卷曲和擺動(dòng)，因?yàn)樗鼈兣c周圍的其他分子碰撞。

所有這些彎曲和擺動(dòng)都會(huì)破壞電子像波浪一樣傳播的能力。以前，人們認(rèn)為電子只能在最多三個(gè)堿基上共享。

通過計(jì)算機(jī)模擬，Beratan團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)某些堿基序列可以增強(qiáng)電子共享，導(dǎo)致長距離波浪狀行為。特別是，他們發(fā)現(xiàn)堆疊交替的五個(gè)鳥嘌呤(G)堿基系列產(chǎn)生了最佳的導(dǎo)電性。

該小組認(rèn)為，創(chuàng)造這些G堿基塊會(huì)使它們?nèi)?ldquo;鎖定”在一起，因此電子的波狀行為不太可能被DNA鏈的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)破壞。

“我們可以認(rèn)為這些基礎(chǔ)有效地聯(lián)系在一起，所以它們都是一體的。這有助于電子在塊內(nèi)共享，”劉說。

接下來，Tao組在短的6到16個(gè)堿基DNA鏈上進(jìn)行電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)，攜帶三到八個(gè)鳥嘌呤堿基的交替塊。通過將測試DNA連接在一對(duì)兩個(gè)金電極之間，該團(tuán)隊(duì)可以翻轉(zhuǎn)并控制一個(gè)小電流來測量流過分子的電荷量。

他們發(fā)現(xiàn)，通過改變DNA字母的簡單重復(fù)“CxGx”模式(他們將數(shù)字奇數(shù)或偶數(shù)G或C字母稱為“G塊”)，DNA的能力存在奇怪的模式。傳輸電子。奇數(shù)，電阻較小，電子流動(dòng)速度更快，更自由(更波浪狀)，可以在DNA上穿過一條路徑。

他們能夠發(fā)揮精確的分子水平控制并使電子跳躍(稱為非相干傳輸，大多數(shù)半導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)的類型)或基于DNA序列模式的變化流動(dòng)更快(相干傳輸，金屬中發(fā)現(xiàn)的類型)。

實(shí)驗(yàn)工作證實(shí)了該理論的預(yù)測。

信息費(fèi)

Beratan說，這些結(jié)果揭示了對(duì)DNA中電子傳遞的確切性質(zhì)的長期爭議，并可能為DNA納米電子的設(shè)計(jì)和生物系統(tǒng)中電子傳遞的作用提供見解。

除了實(shí)用的基于DNA的電子應(yīng)用程序(該小組已經(jīng)提交了多項(xiàng)專利)之外，其中一個(gè)更有趣的方面是將他們的工作 - 簡單的簡單DNA延伸 - 與復(fù)雜的DNA生物學(xué)相關(guān)聯(lián)。細(xì)胞。

對(duì)于存活而言，最重要的是每次細(xì)胞分裂時(shí)保持DNA的保真度以傳遞DNA序列的精確拷貝。盡管細(xì)胞中存在許多冗余的保護(hù)機(jī)制，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致疾病。例如，吸收過多的紫外線會(huì)使DNA發(fā)生變異，并引發(fā)皮膚癌。

其中一個(gè)DNA化學(xué)字母“G”最容易因失去電子而受到氧化損傷(想想生銹的鐵 - 這是類似氧化過程的結(jié)果)。Xiang指出，在每條染色體的末端也發(fā)現(xiàn)了很長的G，由一種稱為端粒酶的特殊酶維持。縮短這些G片段與衰老有關(guān)。

但就目前而言，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)解決了DNA信息如何影響電荷的謎團(tuán)。“這個(gè)理論框架向我們展示了DNA的確切序列有助于決定電子是否像粒子一樣傳播，當(dāng)它們像波浪一樣傳播時(shí)，”Beratan說。“你可以說我們正在設(shè)計(jì)電子的波浪般的個(gè)性。”