Forskare globalt strävar efter att kontrollera kemiska reaktioner - ett ambitiöst mål som kräver att man identifierar de steg som de initiala reaktanterna tar för att komma fram till slutprodukterna när reaktionen äger rum. Även om denna dröm återstår att förverkligas, tekniker för att undersöka kemiska reaktioner har blivit tillräckligt avancerade för att göra det möjligt. Faktiskt, kemiska reaktioner kan nu övervakas baserat på förändringen av elektroniska egenskaper hos en enda molekyl! Tack vare scanning tunneling microscope (STM), detta är också enkelt att åstadkomma. Varför inte då använda en enmolekylär metod för att avslöja reaktionsvägar också?

Med detta mål, forskare från Tokyo Institute of Technology, Japan bestämde sig för att utforska DNA-"hybridisering" (bildning av dubbelsträngat DNA från två enkelsträngat DNA) genom att mäta förändringarna i enkelmolekylers elektriska ledningsförmåga med hjälp av en STM. "Enkelmolekylsundersökningar kan ofta avslöja nya detaljer om kemiska och biologiska processer som inte kan identifieras i en bulksamling av molekyler på grund av medelvärdet av individuella molekylers beteende, " förklarar prof Tomoaki Nishino, vem var en del av studien, nyligen publicerad i Kemivetenskap .

Forskarna fäste ett enkelsträngat DNA (ssDNA) till en STM-spets gjord av guld och använde en platt guldfilm för att fästa den komplementära strängen på den via en process som kallas "adsorption". De applicerade sedan en förspänning mellan den belagda STM-spetsen och guldytan och förde spetsen extremt nära ytan utan att vidröra den (fig. 1). Detta, i tur och ordning, tillät en ström att flöda genom utrymmet däremellan på grund av en process som kallas "kvanttunneling". Kemister övervakade tidsvariationen av denna tunnelström när DNA-strängarna interagerade med varandra.

Teamet fick strömspår som skildrar platåregioner bildade av branta lutningar och efterföljande nedgångar i tunnelströmmen. Ytterligare, dessa platåer bildades inte när antingen guldytan inte modifierades med ssDNA eller modifierades med en icke-komplementär sträng. Baserat på det här, forskare tillskrev platåerna till bildandet av ett dubbelsträngat DNA (dsDNA) till följd av hybridisering av ssDNA på STM-spetsen och ytan. På motsvarande sätt, de tillskrev den abrupta minskningen av strömmen till nedbrytningen eller "dehybridiseringen" av dsDNA på grund av termisk agitation.

Teamet undersökte sedan kinetiken (reaktionens tidsutveckling) för dehybridiserings- och hybridiseringsprocesserna med hjälp av experimentella resultat och simuleringar av molekylär dynamik. Den förra avslöjade en platåkonduktans oberoende av DNA-koncentration, bekräftar att de aktuella mätningarna återspeglade en molekyls konduktans, medan den senare föreslog bildandet av en delvis hybridiserad DNA-intermediär som inte kunde detekteras från enbart konduktans.

Intressant, hybridiseringseffektiviteten var högre för prover med hög DNA-koncentration, motsäger resultaten av en tidigare studie gjord med ssDNA-lösning i bulk. Kemister tillskrev denna observation till frånvaron av bulkdiffusion i sin studie.

"Dessa nya insikter borde bidra till förbättrad prestanda för många DNA-baserade diagnoser, " konstaterar Prof Nishino, glada över resultaten, "Dessutom, vår metod kan utvidgas till att undersöka intermolekylära kemiska reaktioner mellan en mängd olika enstaka molekyler, möjliggör en mekanistisk förståelse av kemiska reaktioner såväl som upptäckt av ny kemisk reaktivitet från ett enmolekylärt perspektiv."