Ett team av forskare från University of California, Davis och University of Washington har visat att konduktans av DNA kan moduleras genom att kontrollera dess struktur, vilket öppnar möjligheten för DNA:s framtida användning som en elektromekanisk switch för nanoskala -beräkning. Även om DNA är allmänt känt för sin biologiska roll som livsmolekyl, det har nyligen fått stort intresse för användning som ett nanoskala material för en mängd olika applikationer.

I sitt papper publicerat i Naturkommunikation , teamet visade att genom att förändra strukturen för DNA -dubbelhelixen genom att modifiera dess omgivning kan konduktansen (den lätthet med vilken en elektrisk ström passerar) styras reversibelt. Denna förmåga att strukturellt modulera laddningstransportens egenskaper kan möjliggöra utformning av unika nanodatorer baserade på DNA. Dessa enheter skulle fungera med ett helt annat paradigm än dagens konventionella elektronik.

"När elektroniken blir mindre blir det svårare och dyrare att tillverka, men DNA-baserade enheter kan utformas från botten uppåt med hjälp av riktade självmonteringsmetoder som 'DNA origami', "sa Josh Hihath, biträdande professor i el- och datateknik vid UC Davis och seniorförfattare på tidningen. DNA origami är vikning av DNA för att skapa två- och tredimensionella former på nanoskala.

"Betydande framsteg har gjorts för att förstå DNA:s mekaniska, strukturell, och självmonteringsegenskaper och användningen av dessa egenskaper för att konstruera strukturer i nanoskala. De elektriska egenskaperna, dock, har i allmänhet varit svåra att kontrollera, sa Hihath.

Ny vridning på DNA? Möjliga paradigmer för beräkning

Förutom potentiella fördelar vid tillverkning på nanoskala nivå, sådana DNA-baserade anordningar kan också förbättra energieffektiviteten hos elektroniska kretsar. Storleken på enheter har minskat avsevärt under de senaste 40 åren, men eftersom storleken har minskat, effekttätheten på chipet har ökat. Forskare och ingenjörer har undersökt nya lösningar för att förbättra effektiviteten.

"Det finns ingen anledning att beräkna med traditionella transistorer. Tidiga datorer var helt mekaniska och arbetade senare på reläer och vakuumrör, "sa Hihath." Att flytta till en elektromekanisk plattform kan så småningom tillåta oss att förbättra energieffektiviteten för elektroniska enheter i nanoskala. "

Detta arbete visar att DNA kan fungera som en elektromekanisk omkopplare och kan leda till nya paradigm för beräkning.

För att utveckla DNA till en reversibel switch, forskarna fokuserade på att växla mellan två stabila DNA -konformationer, känd som A-formen och B-formen. I DNA, B-formen är den konventionella DNA-duplexen som vanligtvis associeras med dessa molekyler. A-formen är en mer kompakt version med olika avstånd och lutning mellan baspar. Exponering för etanol tvingar DNA till A-formkonformationen vilket resulterar i en ökad konduktans. Liknande, genom att ta bort etanolen, DNA kan växla tillbaka till B-formen och återgå till sitt ursprungliga reducerade konduktansvärde.

Ett steg mot molekylär beräkning

För att utveckla detta fynd till en tekniskt livskraftig plattform för elektronik, författarna noterade också att det fortfarande finns mycket att göra. Även om denna upptäckt ger en principiell bevisning av elektromekanisk omkoppling i DNA, det finns i allmänhet två stora hinder som fortfarande måste övervinnas inom molekylär elektronik. Först, miljarder aktiva molekylära enheter måste integreras i samma krets som görs för närvarande inom konventionell elektronik. Nästa, forskare måste kunna koppla in specifika enheter individuellt i ett så stort system.

"Så småningom, miljöaspekterna i detta arbete måste ersättas med en mekanisk eller elektrisk signal för att lokalt adressera en enda enhet, "noterade Hihath.