不只是生命藍圖:連接 DNA 導線

作者 | 發布日期 2016 年 09 月 10 日 0:00 | 分類 生物科技 follow us in feedly
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DNA 的序列可以讓它變成良好的導線,或者是新的電子元件。



DNA ,一個僅僅由少數化學物質組合而成的分子,是生命的藍圖。除了這些我們熟知的特性,DNA 其實也可以傳導電流,而這也是目前工程領域開發低成本奈米電子器材時的兵家必爭之地。

由亞利桑那州立大學(ASU)生物設計機構的陶農建教授(Nongjian Tao)與杜克大學的理論科學家 David Beratan 教授領軍的團隊已經開始了解如何合成可以精準調控通過電流的 DNA 。他們的發現使 DNA 可以傳送如一般導線順暢的電子流,也可以讓電子跳躍傳導,像是在電腦和手機中的半導體一般。除此之外,研究團隊也已經從理論和實務經驗上證明 DNA 的導電特性是可以由調整序列、長度、堆疊方式以及作用環境等方式改變的。這些發現為未來的研究進展鋪了一條令人興奮的嶄新道路。

 

電子的二重性──流動或跳躍

每個原子或分子對電子的親和力都各不相同,有的很黏電子,有的則樂於分享電子。一邊提供電子、另一邊則負責接收,這樣的電子交換就是氧化還原反應。在這一來一往之間有時候會有能量釋出,而這些能量就能夠驅動我們身體裡面的各種反應。

比較麻煩的是,電子其實不只是種帶電粒子。根據量子力學,電子其實同時保有波和粒子的兩種特性。「長久以來,科學家們仍對於電子在 DNA 分子中的傳播方式意見分歧。」杜克大學團隊領導人 Beratan 教授說。

陶農建教授先前的研究已經發現電子在 DNA 中短程傳播時會以量子穿隧的方式迅速傳播,就像水波快速傳遍池塘一樣。當距離拉長的時候,電子的傳播方式則和粒子較為相像,開始出現跳躍等等波所不具備的行為特徵。這個由亞利桑那州立大學和杜克大學組成的團隊首先想確認的是:這樣類似波的特性在遠距離的狀況下是否存在。而在了解其機制後,是否有辦法可以增強那樣的性質或拉長傳播距離。」

 

DNA 裡的變化  轉換的關鍵

DNA 的結構就像鎖鏈一樣,由 4 種鹼基組成,而這些鹼基的排列組合就是基因。也因為像長鏈一般的構造, DNA 可以輕易的在與周遭分子相撞時轉換形狀、彎曲、纏繞與扭動。

這些彎曲和扭動會影響電子以波動傳播的能力。一般原本的認知都是電子共享只發生在 3 個鹼基之內。透過電腦模擬,Beratan 的團隊發現一些特定的序列可以增強電子共享,更有利電子的波動傳播。其中一個例子是連續的鳥糞嘌呤(G)所組成的序列,研究發現這樣能達到最好的傳導效果。

接著,陶農建教授團隊以長約 6 到 16 個鹼基對,穿插著幾段連續鳥糞嘌呤(G)的 DNA 做實驗。將目標的 DNA 分子接上一對金製電極,並測量電流通過時的電荷行為後發現,以奇數個連續的胞嘧啶(C)和鳥糞嘌呤(G)互相穿插的傳導效果最佳。這樣的序列可以達到最小的電阻,電子在 DNA 中的流動也比較自由快速。

目前,研究團隊已經可以控制序列並讓 DNA 上的電子以跳躍(在半導體中一樣)或波動(一般導線)的方式傳播。這些結果為 DNA 內電子傳導方式的差異定調,也有助於新世代的奈米電子器材設計,甚至可以了解生物系統內電子傳遞所扮演的角色。

(首圖來源:phys.org

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