För ren mångsidighet, det finns ingen molekyl riktigt som DNA. Den ikoniska dubbelhelixen bär den genetiska planen för levande former, allt från encelliga organismer till människor.

Nyligen, forskare har funnit att DNA:s anmärkningsvärda egenskaper för självmontering och dess förmåga att leda elektrisk laddning över avsevärda avstånd gör det idealiskt för otaliga tillämpningar, inklusive små elektroniska kretsar och datorenheter, nanorobotar och nya framsteg inom fotonik.

Forskare vid Arizona State University, i samarbete med NYU och Duke University, har nyligen designat, skapade och testade en DNA-krets som kan dela och kombinera ström, ungefär som en adapter som kan ansluta flera apparater till ett vägguttag.

Nongjian "N.J." Tao, en medförfattare till den nya studien, har arbetat med att förfina DNAs förmåga att mer stabilt och effektivt transportera laddning, ett viktigt hinder på vägen mot en ny generation av biologiskt baserade enheter.

"DNAs förmåga att transportera elektrisk laddning har undersökts under en tid, säger Tao, som leder Biodesign Center for Bioelectronics and Biosensors. "Dela och rekombinera ström är en grundläggande egenskap hos konventionella elektroniska kretsar. Vi skulle vilja härma denna förmåga i DNA, men tills nu, det här har varit ganska utmanande."

Nuvarande delning i DNA-strukturer med tre eller fler terminaler är svår eftersom laddningen tenderar att snabbt försvinna vid delningsövergångar eller konvergenspunkter. I den nya studien, en speciell form, känt som G-quadruplex (G4) DNA används för att förbättra laddningstransportegenskaper. Som namnet antyder, G4-DNA består av fyra snarare än två DNA-strängar som är rika på nukleotiden guanin.

"DNA kan leda laddning, men för att vara användbar för nanoelektronik, den måste kunna rikta laddning längs mer än en väg genom att dela eller kombinera den. Vi har löst det här problemet genom att använda guanine quadruplex (G4) där en laddning kan komma till en duplex på ena sidan av den här enheten och gå ut endera av två duplex på den andra sidan", säger Peng Zhang, en biträdande forskningsprofessor i kemi vid Duke University och en medförfattare till den nya studien.

"Detta är det första steget som behövs för att transportera laddning genom en grenstruktur gjord uteslutande av DNA. Det är troligt att ytterligare steg kommer att resultera i framgångsrik DNA-baserad nanoelektronik som inkluderar transistorliknande enheter i självmonterande 'förprogrammerade' material, " säger Zhang.

Tillsammans med Tao och Zheng, forskargruppen bestod av Taos ASU-kollegor, Limin Xiang och Yueqi Li; Ruojie Sha och Nadrian C. Seeman från NYU; och Chaoren Liu, Alexander Balaeff, Yuqi Zhang och David N. Beratan från Duke University.

Resultaten av den nya studien visas i det avancerade onlinenumret av tidskriften Naturens nanoteknik .

DNA är ett mycket attraktivt material för design och skapande av ny nanoelektronik. Molekylens fyra nukleotidbaser märkta A, T, C och G kan programmeras för att självmontera till ikoniska dubbla helixar, knäpper ihop som matchade pusselbitar, En alltid bindning med T och C med G. Ett stort antal två- och tredimensionella DNA-former har designats syntetiskt och byggts på dessa enkla principer.

Men molekylen kan också samlas för att bilda G4-DNA. Verkligen, naturligt förekommande guaninrikt quadruplex-DNA tjänar ett antal viktiga fysiologiska funktioner. Sådana DNA-konfigurationer förekommer i ändarna av linjära kromosomer, i strukturer som kallas telomerer, som spelar en avgörande roll i regleringen av åldrande. DNA-quadruplexer i telomerer har visat sig minska aktiviteten hos telomeras - ett enzym som är ansvarigt för telomerlängden och är inblandat i cirka 85 procent av alla cancerformer. G4-quadruplex är därför läkemedelsmålet för viktiga terapier.

I G4-strukturer, DNA tar formen av staplade guaninbaser som bildar vätebindningar med sina två omedelbara grannar. G4-strukturen i hjärtat av de nya experimenten, med sina förbättrade egenskaper för laddningstransport, tillåtet forskare, för första gången, att designa effektiva ledningsvägar mellan det staplade G-quadruplex-DNA:t och de dubbelsträngade trådarna som bildar terminalerna för att antingen dela eller sammanfoga elektriskt strömflöde.

Tidigare försök att skapa en sådan Y-formad elektrisk förbindelse med endast konventionellt dubbelsträngat DNA hade misslyckats, på grund av de mycket dåliga laddningstransportegenskaperna som finns i kretsens kopplingspunkter. Att använda G4-DNA som ett kopplingselement i DNA-övergångar med flera ändar visade sig dramatiskt förbättra laddningstransporten genom både tre och fyra terminala DNA-kretsar.

Studien mätte direkt konduktans av laddning genom den G4-baserade nanostrukturen, med hjälp av en anordning känd som ett skanningstunnelmikroskop eller STM. DNA-molekylen som består av G4-kärnan med dubbelsträngade trådar som bildar de delande terminalerna är kemiskt immobiliserad mellan ett guldsubstrat och guldspetsen på STM-anordningen.

Spetsen på STM förs upprepade gånger in och ur kontakt med molekylen, bryta och reformera korsningen medan strömmen genom varje terminal registreras. Tusentals spår samlades in för varje DNA-kandidatmolekyl. Genom att använda denna break junction STM-metod kunde forskarna designa, mäta och finjustera en mängd olika prototypkretsar för maximal laddningstransportegenskaper.

"Min roll i det här projektet var att mäta konduktansutsignalerna från de två DNA-duplexen i vår design, " sa biodesignforskaren Limin Xiang. "Om du tänker på grenuttaget på din arbetsplats, min uppgift var att kontrollera om var och en av uttagen fungerar korrekt. Överraskande fann vi att utströmmarna från de två DNA-duplexen är desamma, med minimal energiförlust. Vårt nästa steg är att bygga mer komplicerade DNA-kretsar genom att använda denna design som grundelement."

Studien undersökte Y-formade kretsar som delar laddningen mellan tre terminaler (G4+3) samt 4 terminaler (G4+4) strukturer. På grund av subtila skillnader i laddningstransportegenskaperna för de två experimentella kretsarna, G4+4-motiven visade dramatiskt lägre konduktansvärden.

Dessa resultat pekar på G4+3-konfigurationen som en mer effektiv laddningsdelande och kombinerande enhet. I detta fall, laddning kommer in i korsningen från en terminal och går ut genom en av de andra två terminalerna med nästan lika effektivitet.

Studien markerar ett viktigt första steg i att etablera G4-strukturer som effektivt kan bära laddning genom tre eller flera terminaler, ett väsentligt krav för kontroll och elektroniska nätverksmöjligheter.

Förutom att förse det växande området av DNA-nanoteknik med nya verktyg, forskningen kan hjälpa till att belysa naturens metoder för att upprätthålla genetisk integritet i celler och kasta nytt ljus över otaliga sjukdomar kopplade till nedbrytningen av DNA-felkorrigerande mekanismer.