DNA, livets grejer, kan mycket väl också sätta ett stort ryck för ingenjörer som försöker främja utvecklingen av små, billiga elektroniska apparater.

Ungefär som att vrida på din ljusströmbrytare hemma - bara på en skala 1, 000 gånger mindre än ett människohår – ett ASU-ledd team har nu utvecklat den första kontrollerbara DNA-switchen för att reglera flödet av el inom en enda, molekyl i atomstorlek. Den nya studien, ledd av ASU Biodesign Institute-forskaren Nongjian Tao, publicerades i den avancerade onlinetidskriften Naturkommunikation .

"Det har konstaterats att laddningstransport är möjlig i DNA, men för en användbar enhet, man vill kunna sätta på och stänga av laddtransporten. Vi uppnådde detta mål genom att kemiskt modifiera DNA, sa Tao, som leder Biodesign Center for Bioelectronics and Biosensors och är professor vid Fulton Schools of Engineering. "Inte bara det, men vi kan också anpassa det modifierade DNA:t som en sond för att mäta reaktioner på singelmolekylnivå. Detta ger ett unikt sätt att studera viktiga reaktioner som är inblandade i sjukdom, eller fotosyntesreaktioner för nya tillämpningar för förnybar energi."

Ingenjörer tänker ofta på elektricitet som vatten, och forskargruppens nya DNA-switch fungerar för att kontrollera flödet av elektroner på och av, precis som vatten som kommer ur en kran.

Tidigare, Taos forskargrupp hade gjort flera upptäckter för att förstå och manipulera DNA för att finjustera flödet av elektricitet genom det. De fann att de kunde få DNA att bete sig på olika sätt - och kunde få elektroner att flöda som vågor enligt kvantmekaniken, eller "hoppa" som kaniner i hur elektricitet i en koppartråd fungerar — vilket skapar en spännande ny väg för DNA-baserad, nano-elektroniska applikationer.

Tao samlade ett tvärvetenskapligt team för projektet, inklusive ASU-postdoktoranden Limin Xiang och Li Yueqi som utför bänkexperiment, Julio Palma arbetar med det teoretiska ramverket, med ytterligare hjälp och tillsyn från kollaboratörerna Vladimiro Mujica (ASU) och Mark Ratner (Northwestern University).

För att utföra sin ingenjörsprestation, Taos grupp, modifierade bara en av DNA:s ikoniska dubbelhelix-kemiska bokstäver, förkortas som A, C, T eller G, med en annan kemisk grupp, kallas antrakinon (Aq). Antrakinon är en treringad kolstruktur som kan infogas mellan DNA-baspar men innehåller vad kemister kallar en redoxgrupp (förkortning för reduktion, eller få elektroner eller oxidation, förlorar elektroner).

Dessa kemiska grupper är också grunden för hur våra kroppar omvandlar kemisk energi genom strömbrytare som skickar alla elektriska pulser i våra hjärnor, våra hjärtan och kommunicerar signaler inom varje cell som kan vara inblandad i de vanligaste sjukdomarna.

Den modifierade Aq-DNA-helixen kan nu hjälpa den att utföra bytet, glider bekvämt in mellan stegpinnarna som utgör stegen till DNA-spiralen, och skänka den en ny funnen förmåga att reversibelt vinna eller förlora elektroner.

Genom sina studier, när de klämde in DNA mellan ett par elektroder, de kontrollerade noggrant sitt elektriska fält och mätte förmågan hos det modifierade DNA:t att leda elektricitet. Detta utfördes med en häftklammer av nanoelektronik, ett skannande tunnelmikroskop, som fungerar som spetsen på en elektrod för att slutföra en anslutning, att upprepade gånger dras in och ur kontakt med DNA-molekylerna i lösningen som ett finger som rör vid en vattendroppe.

"Vi fann att elektrontransportmekanismen i det nuvarande antrakinon-DNA-systemet gynnar elektron "hoppning" via antrakinon och staplade DNA-baser, sade Tao. Dessutom de fann att de kunde reversibelt kontrollera konduktanstillstånden för att få DNA att slå på (hög konduktans) eller stänga av (låg konduktans). När antrakinon har fått flest elektroner (dess mest reducerade tillstånd), den är mycket mer ledande, och teamet kartlade fint en 3D-bild för att redogöra för hur antrakinon kontrollerade det elektriska tillståndet hos DNA.

Till deras nästa projekt, de hoppas kunna utöka sina studier för att komma ett steg närmare att göra DNA-nano-enheter till verklighet.

"Vi är särskilt glada över att det konstruerade DNA:t ger ett bra verktyg för att undersöka redoxreaktionskinetik, och termodynamik den enskilda molekylnivån, sa Tao.