実際に電荷輸送のオン・オフ切り替え可能なDNAスイッチ

アリゾナ州立大学(ASU)率いるチームが、単一原子規模分子内部の電流を制御すための、家で明かりのスイッチをオン・オフするのに非常によく似た、たった髪の毛の1000倍細い規模の制御可能なDNAスイッチの開発に成功しています。ASUバイオデザイン研究所の研究員主導の今回の新しい研究は、Nature Communicationsオンラインジャーナルに掲載されています。

DNAスイッチ

Switched-on DNA | EurekAlert! Science News

DNAにおける電荷輸送が可能な事は立証されてはいましたが、実用的なデバイスは、電荷輸送をオン・オフできなくてはなりません。研究者達は化学修飾DNAによってこの目標を達成しています。それだけではなく、彼等は、単一分子レベルでの反応を測定するためのプローブとして修飾DNAを適用してもいます。この事が、病気や今までにない新しい再生可能エネルギーアプリケーションのための光合成反応に関わる重要な反応を研究するためのユニークな方法を提供しています。エンジニア達は、たいていの場合、電気を水のように考えていて、今回の研究チームの新しいDNAスイッチは、ちょうど水が蛇口から流れ出て来るように、電子の流れをオン・オフするのをコントロールする働きをしています。

これまでに、タオ氏の研究グループは、DNAを流れる電気の流れをもっと精細に調整するために、DNAを理解して巧く操作するためのいくつかの発見をしています。彼等は、DNAを色々な状態に振る舞わせられる事を発見し、例えば、電子を量子力学に従って波状に流れるように仕向けたり、銅線内を電気が流れるようにうさぎのようにホップしたり、DNAベースのナノエレクトロニクスアプリケーションのためのエキサイティングな新しい道を作り出しています。

アントラキノン

彼等の工学的偉業を達成するために、タオのグループは、A、C、T、Gと略されているDNAの象徴的な二重らせん化学文字の1つだけを、anthraquinone (アントラキノン:Aq)と呼ばれている別の化学基を使って修飾しています。アントラキノンは、DNA塩基対の間に挿入することができるthree-ringed carbon structure(三員環炭素構造)ですが、化学者がredox group(酸化還元基、reducitonの短縮形、電子獲得か酸化、電子喪失)と呼んでいる物を含有しています。

three-ringed carbon structure = 三員環炭素骨格

The modified Aq-DNA helix could now help it perform the switch, slipping comfortably in between the rungs that make up the ladder of the DNA helix, and bestowing it with a new found ability to reversibly gain or lose electrons.

修飾Aq-DNAらせんは、次にそれをスイッチとして機能させ、DNAらせんのはしごを形成している横木の間に容易に滑り込んで、それに可逆的に電子を獲得・喪失する新しく備え付けられた能力を授けいています。

走査型トンネル顕微鏡

彼等の研究の中で、研究者達は、DNAを電極対にはさみ、電場を注意深くコントロールし、修飾DNAの導電能を計測しました。これは、ナノエレクトロニクスの定番の、接続を完遂するために電極の先端のように振る舞う走査トンネル顕微鏡を使って、水滴に触れる指のように、溶液中のDNA分子と接触したりしなかったりを繰り返すことで行われました。

研究者達は、Aq-DNAシステムに存在する電荷輸送メカニズムが、アントラキノンと積層DNA塩基を通した電子ホッピングを好むことを発見しました。さらに、彼等は、DNAスイッチをオン (高伝導度)かスイッチオフ(低伝導度)にさせるための伝導状態を可逆的に制御できることも発見しています。アントラキノンが大部分の電子を獲得する時(最低減状態)、それは、はるかに導電的になり、チームは、アントラキノンがDNAの電気状態をコントロールする仕組みを説明するための3次元像を精細に図示しました。

次のプロジェクトで彼等は、DNAナノデバイスを実現に近付けるための研究を拡大することを期待しています。”我々は、特に工学的DNAが、単一分子レベルでの酸化還元反応動力学や熱力学を研究するためのナイスなツールを提供することに大きく期待しています。”