Μόρια DNA αυτοσυναρμολογούνται σε νανοδομές

Από σελίδα του Πανεπιστημίου Duke, Οκτώβριος 2003

Φαίνεται ότι οι νανοδομές μπορεί να είναι η βάση για ολοένα μικρότερα και ισχυρότερα κυκλώματα και ηλεκτρονικές συσκευές. Αυτό επιβεβαιώθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου Duke στη Βόρεια Καρολίνα, που έχουν χρησιμοποιήσει αυτοσυναρμολογούμενα μόρια του DNA, σαν μοριακές δομικές μονάδες, κάτι σαν 'πλακίδια'.

Αυτά φέρουν ειδικούς μοριακούς διακόπτες για να συστέλλονται και να διαστέλλονται, έτσι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθούν ως φίλτρα, ως σκελετός για ηλεκτρονικά κυκλώματα, σε βιοαισθητήρες που ανιχνεύουν ουσίες, ή σε άλλες νανομηχανές. Επίσης συρμάτινα καλώδια πάχους ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου, ή νανοκλίμακας.

Τα επιτεύγματα αυτά στη σύνθεση νανοδομών, που δημοσίευσαν πέντε ερευνητές στο περιοδικό Science, θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε προγραμματιζόμενους μοριακούς βιοαισθητήρες κλίμακας ή ηλεκτρονικά στοιχεία κυκλώματος.

Αυτά τα διαμορφούμενα από πρωτεΐνες νανοπλέγματα και ασημένια νανοσύρματα μπορούν να είναι μόνο η αρχή, επειδή τα πλακάκια αυτής της μορφής "μπορούν να προγραμματιστούν εύκολα μεταβάλλοντας τα άκρα τους για να σχηματίσουν περιπλοκότερες διατάξεις", όπως έγραψαν οι συντάκτες.

"Ο στόχος μας είναι να χρησιμοποιήσουμε το αυτο-συναρμολογούμενο DNA για να ελέγχει ακριβώς τη θέση άλλων μορίων," λέει ο Yan, ένας μοριακός χημικός του Πανεπιστημίου Duke.

"Έτσι πιστεύουμε ότι εάν μπορούμε να αυξήσουμε το μέγεθος των κρυσταλλικών δομών μας μπορούμε να σχεδιάσουμε νανοηλεκτρονικές διατάξεις επάνω σε αυτές και να φτιάξουμε χρήσιμα συσκευές και  κυκλώματα στην μικρότερη κλίμακα που έχει γίνει μέχρι σήμερα", προσθέτει ο LaBean, ένας μοριακός βιολόγος που είναι επίσης βοηθός ερευνητικός καθηγητής της επιστήμης των υπολογιστών. Οι Yan και LaBean είναι οι κύριοι σχεδιαστές των πλακιδίων.

Η εργασία τους για τη χρήση  DNA σε υπολογισμούς δείχνει ότι η αυτοσυναρμολόγηση των πλακιδίων σε δομές μπορεί να προγραμματιστεί, σύμφωνα με τους ερευνητές. Το ίδιο το πλακίδιο είναι εύκολο να τροποποιηθεί με την αλλαγή των σκελών του. Έτσι μπορούμε να προγραμματίσουμε το πλακίδιο  επανειλημμένως και για άλλους σκοπούς," εξηγεί ο Yan.

Επειδή οι δύο τύποι των συστατικών μονάδων του DNA, οι λεγόμενες βάσεις, επιλεκτικά ζευγαρώνουν με τις δύο άλλες για να σχηματίσουν τους κλώνους του DNA -- δηλαδή η αδενίνη με τη θυμίνη και η γουανίνη με την κυτοσίνη -- οι επιστήμονες θα μπορούσαν να εκμεταλλευτούν αυτή την βιοχημική ιδιότητα για να προγραμματίσουν με διαφορετικούς τρόπους να συνδεθούν τα πλακίδια μαζί.

Το πλέγμα κατασκευάζεται από τα πλακάκια σε σχήμα Χ. Το κάθε πλακάκι αποτελείται από δύο μόρια DNA ενωμένα στο κέντρο τους. Όταν τα πλακάκια παραταχθούν το ένα δίπλα στο άλλο ενώνονται στα άκρα τους και σχηματίζουν ένα δίχτυ από DNA.

Για να μπορεί το πλέγμα να συστέλλεται και να διαστέλλεται, το DNA τροποποιήθηκε δομικά ώστε να λειτουργεί ως πιστόνι.

Όταν το πλέγμα τροφοδοτηθεί με ειδικά, μικρά τμήματα DNA, που χρησιμοποιούνται ως καύσιμα, το τροποποιημένο DNA επανέρχεται στην κανονική του κατάσταση και το δίχτυ διαστέλλεται.

Όταν το πλέγμα διαστέλλεται, τα στοιχεία του κυκλώματος απομακρύνονται μεταξύ τους και περνούν στην κατάσταση «off». Το αντίθετο συμβαίνει όταν το πλέγμα συστέλλεται.

Οι επιστήμονες ισχυρίζονται ότι μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα πλακάκια με DNA για τη χρήση τους ως στοιχεία στους βιομοριακούς υπολογιστές. Η ιδέα της χρησιμοποίησης των πλακιδίων σαν bits των υπολογιστών. Αυτό γιατί τα μόρια του DNA συγκολλούνται με προβλέψιμους τρόπους και μπορούν επίσης, λόγω του μεγέθους τους, της νανοκλίμακας, να αλληλεπιδράσουν σε εξαιρετικά μεγάλους αριθμούς μέσα στα μικρά πακέτα.

Επόμενος στόχος των ερευνητών είναι να χρησιμοποιήσουν το πλέγμα σε νανοκυκλώματα. θα προσπαθήσουν να το επιστρώσουν με άργυρο, ώστε να δημιουργηθεί ένα ηλεκτρονικό μεταλλικό κύκλωμα εξαιρετικά μικρών διαστάσεων.