Para versatilidade absoluta, não existe uma molécula como o DNA. A icônica dupla hélice carrega o projeto genético de formas vivas que variam de organismos unicelulares a seres humanos.

Recentemente, pesquisadores descobriram que as notáveis ​​propriedades de automontagem do DNA e sua capacidade de conduzir cargas elétricas a distâncias consideráveis ​​o tornam ideal para inúmeras aplicações, incluindo minúsculos circuitos eletrônicos e dispositivos de computação, nanorrobôs e novos avanços na fotônica.

Pesquisadores da Arizona State University, em colaboração com a NYU e a Duke University, projetaram recentemente, criou e testou um circuito de DNA capaz de dividir e combinar corrente, muito parecido com um adaptador que pode conectar vários aparelhos a uma tomada de parede.

Nongjian "N.J." Tao, um co-autor do novo estudo, tem trabalhado para refinar a capacidade do DNA de transportar cargas de maneira mais estável e eficiente, um obstáculo essencial no caminho para uma nova geração de dispositivos de base biológica.

"A capacidade do DNA de transportar carga elétrica está sob investigação há algum tempo, "diz Tao, que dirige o Centro de Biodesign de Bioeletrônica e Biossensores. "Dividir e recombinar a corrente é uma propriedade básica dos circuitos eletrônicos convencionais. Gostaríamos de imitar essa capacidade no DNA, mas até agora, isso tem sido bastante desafiador. "

A divisão da corrente em estruturas de DNA com três ou mais terminais é difícil, pois a carga tende a se dissipar rapidamente nas junções de divisão ou pontos de convergência. No novo estudo, um formulário especial, conhecido como G-quadruplex (G4), o DNA é usado para melhorar as propriedades de transporte de carga. Como o nome implica, O DNA G4 é composto de quatro, em vez de duas fitas de DNA que são ricas no nucleotídeo guanina.

"O DNA é capaz de conduzir carga, mas para ser útil para nanoeletrônica, deve ser capaz de direcionar a carga ao longo de mais de um caminho, dividindo-o ou combinando-o. Resolvemos esse problema usando a guanina quádrupla (G4) em que uma carga pode chegar em um duplex em um lado desta unidade e sair de um dos dois duplexes do outro lado ", diz Peng Zhang, professor assistente de pesquisa de química na Duke University e co-autor do novo estudo.

"Esta é a primeira etapa necessária para transportar carga através de uma estrutura ramificada feita exclusivamente de DNA. É provável que outras etapas resultem em nanoeletrônica baseada em DNA bem-sucedida que inclui dispositivos semelhantes a transistores em materiais 'pré-programados' de automontagem, "Zhang diz.

Junto com Tao e Zheng, a equipe de pesquisa consistia em colegas da ASU de Tao, Limin Xiang e Yueqi Li; Ruojie Sha e Nadrian C. Seeman, da NYU; e Chaoren Liu, Alexander Balaeff, Yuqi Zhang e David N. Beratan, da Duke University.

Os resultados do novo estudo aparecem na edição online avançada da revista Nature Nanotechnology .

O DNA é um material altamente atraente para o design e a criação de novos nanoeletrônicos. As quatro bases de nucleotídeos da molécula, marcadas com A, T, C e G podem ser programados para se automontar em hélices duplas icônicas, encaixando-se como peças de um quebra-cabeça combinadas, Uma ligação sempre com T e C com G. Uma vasta gama de formas de DNA bidimensionais e tridimensionais foram sinteticamente projetadas e construídas com base nesses princípios simples.

Mas a molécula também pode se reunir para formar o DNA G4. De fato, O DNA quádruplo rico em guanina de ocorrência natural serve a uma série de funções fisiológicas importantes. Essas configurações de DNA ocorrem nas extremidades dos cromossomos lineares, em estruturas conhecidas como telômeros, que desempenham um papel crítico na regulação do envelhecimento. Foi demonstrado que os quadruplexes de DNA em telômeros diminuem a atividade da telomerase - uma enzima responsável pelo comprimento dos telômeros e implicada em cerca de 85 por cento de todos os cânceres. Os quadruplexes G4 são, portanto, o alvo de drogas para terapêuticas importantes.

Nas estruturas G4, O DNA assume a forma de bases de guanina empilhadas que formam ligações de hidrogênio com seus dois vizinhos imediatos. A estrutura G4 no centro dos novos experimentos, com suas propriedades aprimoradas de transporte de carga, pesquisadores permitidos, pela primeira vez, para projetar vias de condução eficazes entre o DNA G-quádruplo empilhado e os fios de fita dupla que formam os terminais para a divisão ou fusão do fluxo de corrente elétrica.

Esforços anteriores para criar tal junção elétrica em forma de Y usando apenas DNA de fita dupla convencional falharam, devido às propriedades muito fracas de transporte de carga inerentes aos pontos de junção do circuito. O uso do DNA G4 como um elemento conector em junções de DNA com várias extremidades mostrou melhorar drasticamente o transporte de carga por meio de circuitos de DNA de três e quatro terminais.

O estudo mediu diretamente a condutância de carga através da nanoestrutura baseada em G4, usando um dispositivo conhecido como microscópio de tunelamento de varredura ou STM. A molécula de DNA que consiste no núcleo G4 com fios de fita dupla formando os terminais de divisão é quimicamente imobilizada entre um substrato de ouro e a ponta de ouro do dispositivo STM.

A ponta do STM é repetidamente colocada e fora de contato com a molécula, quebrar e reformar a junção enquanto a corrente através de cada terminal é registrada. Milhares de traços foram coletados para cada molécula de DNA candidata. O uso deste método STM de quebra de junção permitiu aos pesquisadores projetar, medir e ajustar uma variedade de circuitos de protótipo para propriedades de transporte de carga máxima.

"Meu papel neste projeto foi medir as saídas de condutância dos dois duplexes de DNA em nosso projeto, "disse o pesquisador da Biodesign, Limin Xiang." Se você pensar sobre o filtro de linha em seu local de trabalho, minha tarefa era verificar se cada uma das tomadas está funcionando corretamente. Surpreendentemente, descobrimos que as correntes de saída dos dois duplexes de DNA são as mesmas, com perda mínima de energia. Nosso próximo passo é construir circuitos de DNA mais complicados usando este projeto como o elemento básico. "

O estudo examinou circuitos em forma de Y que dividem a carga entre três terminais (G4 + 3), bem como estruturas de 4 terminais (G4 + 4). Devido a distinções sutis nas propriedades de transporte de carga dos dois circuitos experimentais, os motivos G4 + 4 mostraram valores de condutância dramaticamente mais baixos.

Esses resultados apontam para a configuração G4 + 3 como um dispositivo de divisão e combinação de carga mais eficaz. Nesse caso, a carga entra na junção de um terminal e sai por um dos outros dois terminais com eficiência quase igual.

O estudo marca um primeiro passo importante no estabelecimento de estruturas G4 capazes de transportar carga de forma eficiente através de três ou mais terminais, um requisito essencial para recursos de controle e rede eletrônica.

Além de fornecer ao campo crescente da nanotecnologia de DNA novas ferramentas, a pesquisa pode ajudar a iluminar os métodos da natureza para manter a integridade genética dentro das células e lançar uma nova luz sobre uma miríade de doenças relacionadas com a quebra dos mecanismos de correção de erros do DNA.