Per la massima versatilità, non c'è nessuna molecola come il DNA. L'iconica doppia elica porta il progetto genetico per le forme viventi che vanno dagli organismi unicellulari agli esseri umani.

Recentemente, i ricercatori hanno scoperto che le notevoli proprietà di autoassemblaggio del DNA e la sua capacità di condurre carica elettrica su distanze considerevoli lo rendono ideale per una miriade di applicazioni, compresi piccoli circuiti elettronici e dispositivi informatici, nanorobot e nuovi progressi nella fotonica.

Ricercatori dell'Arizona State University, in collaborazione con la NYU e la Duke University, hanno recentemente progettato, creato e testato un circuito DNA in grado di dividere e combinare la corrente, proprio come un adattatore che può collegare più apparecchi a una presa a muro.

Nongjian "N.J." Tao, coautore del nuovo studio, ha lavorato per affinare la capacità del DNA di trasportare la carica in modo più stabile ed efficiente, un ostacolo essenziale sulla strada per una nuova generazione di dispositivi a base biologica.

"La capacità del DNA di trasportare la carica elettrica è stata oggetto di indagine da tempo, "dice Tao, che dirige il Biodesign Center for Bioelectronics and Biosensors. "Splittare e ricombinare la corrente è una proprietà fondamentale dei circuiti elettronici convenzionali. Vorremmo imitare questa capacità nel DNA, ma fino ad ora, questo è stato piuttosto impegnativo."

La scissione della corrente nelle strutture del DNA con tre o più terminali è difficile poiché la carica tende a dissiparsi rapidamente nelle giunzioni di scissione o nei punti di convergenza. Nel nuovo studio, una forma speciale, noto come G-quadruplex (G4) DNA viene utilizzato per migliorare le proprietà di trasporto di carica. Come il nome suggerisce, Il DNA G4 è composto da quattro e non due filamenti di DNA ricchi di nucleotide guanina.

"Il DNA è in grado di condurre una carica, ma per essere utile per la nanoelettronica, deve essere in grado di dirigere la carica lungo più di un percorso suddividendolo o combinandolo. Abbiamo risolto questo problema utilizzando il guanine quadruplex (G4) in cui una carica può arrivare su un duplex su un lato di questa unità ed uscire da uno dei due duplex dall'altro", afferma Peng Zhang, un assistente professore di chimica alla Duke University e coautore del nuovo studio.

"Questo è il primo passo necessario per trasportare la carica attraverso una struttura ramificata fatta esclusivamente di DNA. È probabile che ulteriori passaggi porteranno a una nanoelettronica basata sul DNA di successo che include dispositivi simili a transistor in materiali "pre-programmati" autoassemblanti, " dice Zhang.

Insieme a Tao e Zheng, il gruppo di ricerca era composto dai colleghi dell'ASU di Tao, Limin Xiang e Yueqi Li; Ruojie Sha e Nadrian C. Seeman della NYU; e Chaoren Liu, Alessandro Balaeff, Yuqi Zhang e David N. Beratan della Duke University.

I risultati del nuovo studio appaiono sul numero online avanzato della rivista Nanotecnologia della natura .

Il DNA è un materiale molto attraente per la progettazione e la creazione di nuova nanoelettronica. Le quattro basi nucleotidiche della molecola etichettate A, T, C e G possono essere programmati per autoassemblarsi in iconiche doppie eliche, che si incastrano come pezzi di puzzle abbinati, Un legame sempre con T e C con G. Una vasta gamma di forme di DNA bidimensionali e tridimensionali è stata sinteticamente progettata e costruita su questi semplici principi.

Ma la molecola può anche assemblarsi per formare il DNA G4. Infatti, Il DNA quadruplex ricco di guanina presente in natura svolge una serie di importanti funzioni fisiologiche. Tali configurazioni del DNA si verificano alle estremità dei cromosomi lineari, in strutture note come telomeri, che svolgono un ruolo fondamentale nella regolazione dell'invecchiamento. È stato dimostrato che i quadruplex di DNA nei telomeri riducono l'attività della telomerasi, un enzima responsabile della lunghezza dei telomeri e implicato in circa l'85% di tutti i tumori. I quadruplex G4 sono quindi il bersaglio farmacologico per importanti terapie.

Nelle strutture G4, Il DNA assume la forma di basi guanina impilate che formano legami idrogeno con i loro due immediati vicini. La struttura G4 al centro delle nuove sperimentazioni, con le sue migliorate proprietà di trasporto di carica, ricercatori ammessi, per la prima volta, per progettare percorsi di conduzione efficaci tra il DNA G-quadruplex impilato e i fili a doppio filamento che formano i terminali per dividere o fondere il flusso di corrente elettrica.

I precedenti tentativi di creare una tale giunzione elettrica a forma di Y utilizzando solo il convenzionale DNA a doppio filamento erano falliti, a causa delle scarse proprietà di trasporto di carica inerenti ai punti di giunzione del circuito. È stato dimostrato che l'uso del DNA G4 come elemento connettore nelle giunzioni del DNA multi-ended migliora notevolmente il trasporto di carica attraverso i circuiti del DNA a tre e quattro terminali.

Lo studio ha misurato direttamente la conduttanza di carica attraverso la nanostruttura basata su G4, utilizzando un dispositivo noto come microscopio a scansione a effetto tunnel o STM. La molecola di DNA costituita dal nucleo G4 con fili a doppio filamento che formano i terminali di divisione è immobilizzata chimicamente tra un substrato d'oro e la punta d'oro del dispositivo STM.

La punta dell'STM viene ripetutamente portata dentro e fuori il contatto con la molecola, rompendo e riformando la giunzione mentre viene registrata la corrente attraverso ciascun terminale. Sono state raccolte migliaia di tracce per ogni molecola di DNA candidata. L'utilizzo di questo metodo STM di giunzione a rottura ha consentito ai ricercatori di progettare, misurare e mettere a punto una varietà di circuiti prototipo per le massime proprietà di trasporto di carica.

"Il mio ruolo in questo progetto è stato quello di misurare le uscite di conduttanza dai due duplex del DNA nel nostro progetto, ", ha affermato il ricercatore di Biodesign Limin Xiang. "Se pensi alla ciabatta sul posto di lavoro, il mio compito era quello di verificare se ciascuna delle prese funziona correttamente. Sorprendentemente abbiamo scoperto che le correnti di uscita dai due duplex del DNA sono le stesse, con una minima perdita di energia. Il nostro prossimo passo è costruire circuiti del DNA più complicati utilizzando questo design come elemento di base".

Lo studio ha esaminato circuiti a forma di Y che dividono la carica tra tre terminali (G4+3) e strutture a 4 terminali (G4+4). A causa di sottili distinzioni nelle proprietà di trasporto di carica dei due circuiti sperimentali, i motivi G4+4 hanno mostrato valori di conduttanza notevolmente inferiori.

Questi risultati indicano la configurazione G4+3 come un dispositivo di suddivisione e combinazione della carica più efficace. In questo caso, la carica entra nella giunzione da un terminale ed esce attraverso uno degli altri due terminali con efficienza quasi uguale.

Lo studio segna un primo passo importante nella creazione di strutture G4 in grado di trasportare in modo efficiente la carica attraverso tre o più terminali, un requisito essenziale per il controllo e le capacità di rete elettronica.

Oltre a fornire nuovi strumenti al settore in crescita della nanotecnologia del DNA, la ricerca può aiutare a far luce sui metodi della natura per mantenere l'integrità genetica all'interno delle cellule e gettare nuova luce su una miriade di malattie legate alla rottura dei meccanismi di correzione degli errori del DNA.