DNA enthüllt eine weitere elektronische Eigenschaft

Noch in keinem sinnvollen Sinne möglich, hat die DNA das Potenzial, das Rückgrat für molekulare elektronische Schaltkreise zu sein – Elektronik im kleinsten Maßstab – und auf diese Weise durchsuchen Wissenschaftler ihre Struktur und testen Modifikationen, um nützliche nichtlineare elektrische Eigenschaften und Schaltverhalten zu finden .

Am Tokyo Institute of Technologiehat ein Team einen kurzen DNA-Strang – 90 Nukleotide lang, ein sogenanntes „90-mer“ (ähnliches Polymer) – auf ungewöhnliche Weise verbunden und dabei sowohl Leitfähigkeit, eine nichtlineare Eigenschaft als auch eine selbstreparierende Natur festgestellt.

Das Experiment umfasst ein Rastertunnelmikroskop (STM) mit einer Goldsondenspitze, einem Goldsubstrat und dem DNA-Strang.

Nach Angaben der Universität betrachtet man solche Stränge normalerweise, indem man einen langen Weg zwischen der Mikroskopsondenspitze und dem Substrat einfängt. Dabei zeigt sich, dass der Widerstand mit der Länge zunimmt, bis nicht mehr viel gemessen werden kann.

Was das Tokioter Team tat, war, quer über den Strang zu messen, anstatt daran entlang.

Sie machten ein Ende des Strangs „klebrig“, indem sie Schwefelatome separat an jeden der Einzelstränge banden, die die doppelsträngige Helix des DNA-90-mers bilden.

Da Schwefel an Gold bindet, klebten die mit Schwefelspitzen versehenen 90-mere an einem Ende am Substrat (oben links).

Indem sie die goldene STM-Spitze nahe an die angefügte DNA heranbrachten, konnten sie manchmal nur das Ende von nur einem der Einzelstränge des 90-mer aufnehmen, während der andere Einzelstrang am Substrat klebte (Diagramm rechts). Damit konnten die Forscher erstmals die elektrischen Eigenschaften eines mittellangen DNA-Strangs messen.

Die Leitfähigkeit war hoch, was durch theoretische Modellierung auf delokalisierte π-Elektronen zurückzuführen ist, die sich frei um das Molekül bewegen, so die Forscher.

Als sie die Sonde vom Substrat wegzogen, fanden sie einen Knick in der Distanz-Leitfähigkeits-Kurve – leider schwer zu erkennen in der Grafik der Universität (links) da Tausende von Messungen überlagert sind. Die kombinierten Knicke bilden den dunklen Fleck knapp unter G/G₀= 0.002 Leitfähigkeit und über ~0.1 nm Verschiebung.

„Das einzelne Plateau und der anschließende Abfall der Leitfähigkeit in den Spuren weisen darauf hin, dass diese Plateaus der Einzelmolekülverbindung zugeschrieben werden, die DNA enthält“, so das Team in einem in Nature Communications veröffentlichten Artikel.

Dies und die hohe Leitfähigkeit lassen die Forscher, die die Prozesse nun theoretisch im Griff haben, zu dem Schluss, dass dies nützliches Wissen für die zukünftige DNA ist Schaltung Designer auszunutzen.

Die Experimente zeigten auch, dass sich der DNA-Strang auflösen würde, wenn die Enden gezogen würden, und sich dann spontan ohne Restschäden wieder verbinden würde, wenn die Sonde wieder absinkte – das 90-mer zeigte dabei einige seltsame Eigenschaften, die zusammen mit dem Nature-Papier beschrieben wurden ein möglicher Mechanismus.

Wenn das Substrat schließlich mit einem Typ von "Halb-DNA"-Strang beschichtet wurde und die Partner-Halbstränge auf der Sondenspitze abgelagert wurden, bildete sich spontan 90-mer DNA, wenn die Sonde in die Nähe des Substrats bewegt wurde.

Diese letzten beiden Eigenschaften legen eine robuste Selbstmontage nahe, falls zukünftige Schaltungen dies benötigen.

Vollständige Details können ohne Bezahlung in der Nature Communications-Arbeit „Single-molecule junction spontanrestauriert durch DNA-Zipper“ nachgelesen werden.