DNA, la roba della vita, potrebbe benissimo anche dare una scossa agli ingegneri che cercano di far progredire lo sviluppo di piccoli, dispositivi elettronici a basso costo.

Proprio come accendere l'interruttore della luce a casa, solo su una scala 1, 000 volte più piccolo di un capello umano:un team guidato dall'ASU ha ora sviluppato il primo interruttore del DNA controllabile per regolare il flusso di elettricità all'interno di un singolo, molecola di dimensioni atomiche. Il nuovo studio, guidato dal ricercatore dell'ASU Biodesign Institute Nongjian Tao, è stato pubblicato sulla rivista online advanced Comunicazioni sulla natura .

"È stato stabilito che il trasporto di carica è possibile nel DNA, ma per un dispositivo utile, si vuole essere in grado di attivare e disattivare il trasporto di carica. Abbiamo raggiunto questo obiettivo modificando chimicamente il DNA, " disse Tao, che dirige il Biodesign Center for Bioelectronics and Biosensors ed è professore nelle Fulton Schools of Engineering. "Non solo quello, ma possiamo anche adattare il DNA modificato come sonda per misurare le reazioni a livello di singola molecola. Questo fornisce un modo unico per studiare importanti reazioni implicate nella malattia, o reazioni di fotosintesi per nuove applicazioni di energia rinnovabile."

Gli ingegneri spesso pensano all'elettricità come all'acqua, e il nuovo interruttore del DNA del team di ricerca agisce per controllare l'accensione e lo spegnimento del flusso di elettroni, proprio come l'acqua che esce da un rubinetto.

In precedenza, Il gruppo di ricerca di Tao aveva fatto diverse scoperte per comprendere e manipolare il DNA per sintonizzare più finemente il flusso di elettricità attraverso di esso. Hanno scoperto che potrebbero far sì che il DNA si comporti in modi diversi e potrebbero persuadere gli elettroni a fluire come onde secondo la meccanica quantistica, o "saltellare" come i conigli nel modo in cui funziona l'elettricità in un filo di rame, creando una nuova entusiasmante strada per il DNA, applicazioni nanoelettroniche.

Tao ha riunito un team multidisciplinare per il progetto, compresi gli studenti post-dottorato dell'ASU Limin Xiang e Li Yueqi che eseguono esperimenti da banco, Julio Palma lavorando sul quadro teorico, con ulteriore aiuto e supervisione dei collaboratori Vladimiro Mujica (ASU) e Mark Ratner (Northwestern University).

Per realizzare la loro impresa ingegneristica, il gruppo di Tao, modificato solo una delle iconiche lettere chimiche a doppia elica del DNA, abbreviato in A, C, T o G, con un altro gruppo chimico, chiamato antrachinone (Aq). L'antrachinone è una struttura di carbonio a tre anelli che può essere inserita tra coppie di basi del DNA ma contiene ciò che i chimici chiamano un gruppo redox (abbreviazione di riduzione, o acquistando elettroni o ossidazione, perdere elettroni).

Questi gruppi chimici sono anche la base del modo in cui i nostri corpi convertono l'energia chimica attraverso interruttori che inviano tutti gli impulsi elettrici nel nostro cervello, i nostri cuori e comunicano segnali all'interno di ogni cellula che possono essere implicati nelle malattie più diffuse.

L'elica modificata dell'Aq-DNA potrebbe ora aiutarla a eseguire il passaggio, scivolando comodamente tra i pioli che compongono la scala dell'elica del DNA, e conferendogli una nuova capacità trovata di guadagnare o perdere in modo reversibile elettroni.

Attraverso i loro studi, quando hanno inserito il DNA tra una coppia di elettrodi, controllavano attentamente il loro campo elettrico e misuravano la capacità del DNA modificato di condurre elettricità. Ciò è stato eseguito utilizzando un fiocco di nanoelettronica, un microscopio a scansione a effetto tunnel, che agisce come la punta di un elettrodo per completare una connessione, essere ripetutamente tirato dentro e fuori dal contatto con le molecole di DNA nella soluzione come un dito che tocca una goccia d'acqua.

"Abbiamo scoperto che il meccanismo di trasporto degli elettroni nell'attuale sistema antrachinone-DNA favorisce il "saltellamento" degli elettroni tramite antrachinone e basi di DNA impilate, " disse Tao. Inoltre, hanno scoperto che potevano controllare in modo reversibile gli stati di conduttanza per far sì che il DNA si accenda (alta conduttanza) o si spenga (bassa conduttanza). Quando l'antrachinone ha acquisito il maggior numero di elettroni (il suo stato più ridotto), è molto più conduttivo, e il team ha mappato con precisione un'immagine 3D per spiegare come l'antrachinone controllava lo stato elettrico del DNA.

Per il loro prossimo progetto, sperano di estendere i loro studi per fare un passo avanti verso la realizzazione di nanodispositivi a DNA.

"Siamo particolarmente entusiasti che il DNA ingegnerizzato fornisca un ottimo strumento per esaminare la cinetica della reazione redox, e termodinamica il livello della singola molecola, " disse Tao.