Струм за ДНК: Спіраль

З 34-нанометрового відрізка ДНК вчені зробили непоганий «шнур», здатний проводити електрику. У майбутньому ці «молекули життя» можуть стати і основою нанорозмірних комп'ютерів.

Електронні пристрої швидкими темпами стають все більш компактними. Тому питання створення ефективних провідників якомога більших розмірів цікавить і дослідників, і гігантів електронної промисловості. У цьому сенсі ДНК звертає на себе увагу вже самою своєю структурою.

Нуклеотиди складають нитку ДНК, і в подвійній спіралі «зустрічаються», взаємодіючи своїми азотистими підставами, які являють собою плоскі циклічні фрагменти. Азотисті підстави нуклеотидів комплементарно з'єднуються водневими зв'язками, а додаткову міцність структурі надають стекінг-взаємодії між циклічними фрагментами нуклеотидів.

Якщо розглядати детально подвійну спіраль ДНК, цикли ці йдуть паралельно, як сходинки гвинтових сходів, і сусідні «сходинки» пов'язані один з одним. Така взаємодія сприяє частковому перекриванню p-орбіталів сусідніх азотистих підстав і дозволяє електрону порівняно вільно переміщатися вздовж спіралі ДНК, переносячи заряд.

Цю «побічну» властивість ДНК використовували вчені з Каліфорнії, які працюють на чолі з Жаклін Бартон (Jacqueline Barton). Виготовивши набір молекул ДНК, побудованих із сотні пар підстав (34 нм завдовжки), вони закріпили їх на золотому електроді, а до кінців ниток ДНК приєднали барвник «Нільський блакитний», який, серед іншого, здатний служити індикатором проходить заряду. Всю структуру помістили у фосфатний буферний розчин і подали слабкий струм. Барвник просигналізував: нитка ДНК здатна проводити електрику, не пошкоджуючись при цьому.

За словами дослідників, ДНК відповідає цілій низці вимог, які повинні виконувати якісні «молекулярні дроти» - і більше того, на такому масштабі розмірів синтез її набагато простіше і дешевше, ніж виготовлення тієї ж товщини проводів з традиційних матеріалів. До того ж, її властивості можна досить гнучко змінювати, використовуючи різні послідовності нуклеотидів.

Цікаво, що відсутність помилок у ДНК - неспівпадінь між протилежними нуклеотидами - запорука її хорошої провідності. Як показали експерименти, в іншому випадку провідність молекули падає відразу вдвічі. Навіть розриви у фосфатному «скелеті» до такого не приводили, і ясно чому: як ми пояснювали вище, здатність ДНК проводити струм пов'язана з наявністю делокалізованих електронів, здатних переміщатися вздовж її подвійної спіралі. А поява таких електронів - результат стекінг-взаємодій, які реалізуються лише при суворо визначеній орієнтації кілець азотистих підстав, яка порушується, якщо протилежні підстави не збігаються один з одним. Ця властивість, до речі, може послужити і для справи: найменше порушення в нитці ДНК мігом майже припиняє протікання струму. Так може спрацьовувати якийсь корисний датчик.

Читайте також про найпростіший обчислювальний пристрій, який використовує для роботи ДНК - правда, зовсім інші її властивості - «Комп'ютер у пробірці».

За повідомленням Royal Society of Chemistry