Gli scienziati a livello globale mirano a controllare le reazioni chimiche, un obiettivo ambizioso che richiede l'identificazione dei passi compiuti dai reagenti iniziali per arrivare ai prodotti finali mentre la reazione ha luogo. Mentre questo sogno resta da realizzare, le tecniche per sondare le reazioni chimiche sono diventate sufficientemente avanzate da renderlo possibile. Infatti, Le reazioni chimiche possono ora essere monitorate in base al cambiamento delle proprietà elettroniche di una singola molecola! Grazie al microscopio a effetto tunnel (STM), anche questo è semplice da realizzare. Perché allora non utilizzare un approccio a singola molecola per scoprire anche i percorsi di reazione?

Con questo obiettivo, scienziati del Tokyo Institute of Technology, Il Giappone ha deciso di esplorare l'"ibridazione" del DNA (formazione di un DNA a doppio filamento da due DNA a filamento singolo) misurando i cambiamenti nella conduttività elettrica della singola molecola utilizzando un STM. "Le indagini sulle singole molecole possono spesso rivelare nuovi dettagli sui processi chimici e biologici che non possono essere identificati in una raccolta di molecole alla rinfusa a causa della media del comportamento delle singole molecole, " spiega il prof Tomoaki Nishino, che ha fatto parte dello studio, recentemente pubblicato in Scienze chimiche .

Gli scienziati hanno attaccato un DNA a singolo filamento (ssDNA) a una punta STM in oro e hanno usato una pellicola piatta d'oro per attaccare il filamento complementare su di esso tramite un processo noto come "adsorbimento". Hanno quindi applicato una tensione di polarizzazione tra la punta STM rivestita e la superficie d'oro e hanno portato la punta estremamente vicino alla superficie senza toccarla (Fig. 1). Questo, a sua volta, ha permesso a una corrente di fluire attraverso lo spazio in mezzo a causa di un processo noto come "tunnel quantistico". I chimici hanno monitorato la variazione temporale di questa corrente di tunneling mentre i filamenti di DNA interagivano tra loro.

Il team ha ottenuto tracce di corrente che raffigurano regioni di altopiano formate da ripidi pendii e successivi cali nella corrente di tunneling. Ulteriore, questi plateau non si sono formati quando la superficie dell'oro non è stata modificata con ssDNA o è stata modificata con un filamento non complementare. Basato su questo, gli scienziati hanno attribuito i plateau alla formazione di un DNA a doppia elica (dsDNA) risultante dall'ibridazione di ssDNA sulla punta dell'STM e sulla superficie. Equivalentemente, hanno attribuito la brusca diminuzione di corrente alla rottura o "deibridizzazione" del dsDNA dovuta all'agitazione termica.

Il team ha quindi studiato la cinetica (evoluzione temporale della reazione) dei processi di deibridazione e ibridazione utilizzando risultati sperimentali e simulazioni di dinamica molecolare. Il primo ha rivelato una conduttanza di plateau indipendente dalla concentrazione di DNA, confermando che le misurazioni correnti riflettevano la conduttanza della singola molecola, mentre quest'ultimo suggeriva la formazione di un DNA intermedio parzialmente ibridato che non poteva essere rilevato dalla sola conduttanza.

interessante, l'efficienza di ibridazione era maggiore per campioni ad alta concentrazione di DNA, contraddicendo i risultati di uno studio precedente effettuato con soluzione bulk ssDNA. I chimici hanno attribuito questa osservazione all'assenza di diffusione di massa nel loro studio.

"Queste nuove intuizioni dovrebbero contribuire a migliorare le prestazioni per molte diagnosi basate sul DNA, " osserva il prof Nishino, entusiasta dei risultati, "Inoltre, il nostro metodo può essere esteso allo studio delle reazioni chimiche intermolecolari tra una varietà di singole molecole, consentendo una comprensione meccanicistica delle reazioni chimiche e la scoperta di nuove reattività chimiche da una prospettiva di singola molecola".