Un team di ricercatori dell'Università della California, Davis e l'Università di Washington hanno dimostrato che la conduttanza del DNA può essere modulata controllando la sua struttura, aprendo così la possibilità di un futuro utilizzo del DNA come interruttore elettromeccanico per il calcolo su nanoscala. Sebbene il DNA sia comunemente noto per il suo ruolo biologico come molecola della vita, ha recentemente riscosso un notevole interesse per l'uso come materiale su scala nanometrica per un'ampia varietà di applicazioni.

Nel loro articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , il team ha dimostrato che cambiare la struttura della doppia elica del DNA modificando il suo ambiente consente di controllare in modo reversibile la conduttanza (la facilità con cui passa una corrente elettrica). Questa capacità di modulare strutturalmente le proprietà di trasporto di carica può consentire la progettazione di nanodispositivi unici basati sul DNA. Questi dispositivi funzionerebbero utilizzando un paradigma completamente diverso rispetto all'elettronica convenzionale di oggi.

"Man mano che l'elettronica diventa più piccola, diventa più difficile e costosa da produrre, ma i dispositivi basati sul DNA potrebbero essere progettati dal basso verso l'alto utilizzando tecniche di autoassemblaggio diretto come "DNA origami", " disse Josh Hihath, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica presso la UC Davis e autore senior della carta. L'origami del DNA è la piegatura del DNA per creare forme bidimensionali e tridimensionali a livello di nanoscala.

"Sono stati compiuti notevoli progressi nella comprensione della meccanica del DNA, strutturale, e proprietà di autoassemblaggio e l'uso di queste proprietà per progettare strutture su scala nanometrica. Le proprietà elettriche, però, sono stati generalmente difficili da controllare, " disse Hihath.

Nuova svolta sul DNA? Possibili paradigmi per l'informatica

Oltre ai potenziali vantaggi nella fabbricazione a livello di nanoscala, tali dispositivi basati sul DNA possono anche migliorare l'efficienza energetica dei circuiti elettronici. La dimensione dei dispositivi è stata notevolmente ridotta negli ultimi 40 anni, ma poiché la dimensione è diminuita, la densità di potenza sul chip è aumentata. Scienziati e ingegneri hanno esplorato nuove soluzioni per migliorare l'efficienza.

"Non c'è motivo per cui il calcolo debba essere eseguito con i transistor tradizionali. I primi computer erano completamente meccanici e in seguito funzionavano su relè e tubi a vuoto, " ha affermato Hihath. "Il passaggio a una piattaforma elettromeccanica potrebbe alla fine consentirci di migliorare l'efficienza energetica dei dispositivi elettronici su scala nanometrica".

Questo lavoro dimostra che il DNA è in grado di funzionare come un interruttore elettromeccanico e potrebbe portare a nuovi paradigmi per l'informatica.

Per sviluppare il DNA in un interruttore reversibile, gli scienziati si sono concentrati sul passaggio tra due conformazioni stabili del DNA, nota come forma A e forma B. Nel DNA, la forma B è il convenzionale duplex del DNA che è comunemente associato a queste molecole. La forma ad A è una versione più compatta con spaziatura e inclinazione differenti tra le coppie di basi. L'esposizione all'etanolo costringe il DNA nella conformazione della forma A con conseguente aumento della conduttanza. Allo stesso modo, rimuovendo l'etanolo, il DNA può tornare alla forma B e tornare al suo valore di conduttanza ridotto originale.

Un passo verso il calcolo molecolare

Al fine di sviluppare questa scoperta in una piattaforma tecnologicamente valida per l'elettronica, gli autori hanno anche notato che c'è ancora molto lavoro da fare. Sebbene questa scoperta fornisca una dimostrazione di principio della commutazione elettromeccanica nel DNA, ci sono generalmente due grandi ostacoli ancora da superare nel campo dell'elettronica molecolare. Primo, miliardi di dispositivi molecolari attivi devono essere integrati nello stesso circuito come avviene attualmente nell'elettronica convenzionale. Prossimo, gli scienziati devono essere in grado di intercettare dispositivi specifici individualmente in un sistema così grande.

"Infine, l'aspetto di gating ambientale di questo lavoro dovrà essere sostituito con un segnale meccanico o elettrico per indirizzare localmente un singolo dispositivo, " ha osservato Hihath.