El ADN puede ser el modelo de la vida, pero también es una molécula hecha de unos pocos bloques de construcción químicos simples. Entre sus propiedades está la capacidad de conducir una carga eléctrica, lo que convierte a una de las áreas más calientes en ingeniería en una carrera para desarrollar novedosos, dispositivos nanoelectrónicos de bajo costo.
Ahora, un equipo dirigido por el investigador del Instituto de Biodesign ASU Nongjian NJ Tao y el teórico de Duke David Beratan ha podido comprender y manipular el ADN para ajustar más finamente el flujo de electricidad a través de él. Los hallazgos clave, que pueden hacer que el ADN se comportede diferentes maneras: convencer a los electrones para que fluyan suavemente como la electricidad a través de un cable de metal, o saltar electrones como los materiales semiconductores que alimentan nuestras computadoras y teléfonos celulares, allana el camino para una nueva y emocionante vía de avances en la investigación.
Los resultados, publicados en la edición en línea de Química de la naturaleza , puede proporcionar un marco para diseñar nanocables de ADN más estables y eficientes, y para comprender cómo la conductividad del ADN podría usarse para identificar el daño genético.
Sobre la base de una serie de trabajos recientes, el equipo ha podido comprender mejor las fuerzas físicas detrás de la afinidad del ADN por los electrones. "Hemos podido demostrar teórica y experimentalmente que podemos ajustar el ADN cambiando la secuencia deBases químicas "A, T, C o G", variando su longitud, apilándolas de diferentes maneras y direcciones, o bañándolas en diferentes ambientes acuosos ", dijo Tao, quien dirige el Centro de Biodiseño para Biolectrónica y Biosensores.
Junto con Tao, el equipo de investigación estaba formado por colegas de ASU, incluidos el coautor principal Limin Xiang y Yueqi Li, y Chaoren Liu, Peng Zheng y David Beratan de la Universidad de Duke.
potencial sin explotar
Cada molécula o sustancia tiene su propia atracción única para los electrones: las partículas cargadas negativamente que bailan alrededor de cada átomo. Algunas moléculas son egoístas y retienen o obtienen electrones a toda costa, mientras que otras son mucho más generosas y las donan más librementea otros necesitados
Pero en la química de la vida, se necesitan dos para bailar tango. Por cada donante de electrones hay un aceptador. Estos diferentes compañeros de baile de electrones impulsan las llamadas reacciones redox, proporcionando energía para la mayoría de los procesos químicos básicos en nuestros cuerpos.
Por ejemplo, cuando comemos alimentos, una sola molécula de azúcar se descompone para generar 24 electrones que alimentan nuestros cuerpos. Cada molécula de ADN contiene energía, conocida como potencial redox, medida en décimas de electronvoltios.El potencial se genera de manera similar en la membrana externa de cada célula nerviosa, donde los neurotransmisores desencadenan la comunicación electrónica entre los 100 billones de neuronas que forman nuestros pensamientos.
Pero aquí es donde la capacidad del ADN para conducir una carga eléctrica se complica. Y todo se debe a las propiedades especiales de los electrones, donde pueden comportarse como ondas o partículas debido a la rareza inherente de la mecánica cuántica.
Los científicos han estado en desacuerdo durante mucho tiempo sobre exactamente cómo viajan los electrones a lo largo de las cadenas de ADN, dice David N. Beratan, profesor de química en la Universidad de Duke y líder del equipo de Duke.
"Piense en tratar de cruzar un río", explicó Limin Xiang, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Tao. "Puede caminar rápidamente por un puente o tratar de saltar de una roca a otra. Los electrones en el ADN se comportan enformas similares como tratar de cruzar el río, dependiendo de la información química contenida en el ADN.
Los hallazgos anteriores de Tao mostraron que en distancias cortas, los electrones fluyen a través del ADN mediante túneles cuánticos que se propagan rápidamente como ondas a través de un estanque. A través de distancias más largas, se comportan más como partículas y el salto tiene efecto.
Este resultado fue intrigante, dice Chaoren Liu, estudiante graduada de Duke y coautora principal, porque los electrones que viajan en ondas están esencialmente entrando en el "carril rápido", moviéndose con más organización y eficiencia que aquellos que saltan.
"En nuestros estudios, primero queríamos confirmar que este comportamiento ondulatorio en realidad existía a distancias más largas", dijo Liu. "Y segundo, queríamos entender el mecanismo para poder fortalecer este comportamiento ondulatorio oextenderlo a distancias más largas "
movimiento del interruptor
Las cadenas de ADN se construyen como cadenas, y cada enlace comprende una de las cuatro bases moleculares cuya secuencia codifica las instrucciones genéticas para nuestras células. Al igual que las cadenas de metal, las cadenas de ADN pueden cambiar fácilmente de forma, doblarse, curvarse y moverse a medida que chocan conotras moléculas a su alrededor.
Toda esta flexión y meneo puede alterar la capacidad de los electrones para viajar como ondas. Anteriormente, se creía que los electrones solo podían compartirse en la mayoría de las tres bases.
Utilizando simulaciones por computadora, el equipo de Beratan descubrió que ciertas secuencias de bases podrían mejorar el intercambio de electrones, lo que llevaría a un comportamiento ondulatorio a largas distancias. En particular, descubrieron que el apilamiento de series alternas de cinco bases de guanina G creaba la mejorconductividad eléctrica.
El equipo teoriza que crear estos bloques de bases G hace que todos se "bloqueen" juntos, por lo que es menos probable que el comportamiento ondulatorio de los electrones se vea interrumpido por los movimientos aleatorios de la cadena de ADN.
"Podemos pensar que las bases están efectivamente unidas para que todas se muevan como una sola. Esto ayuda a que el electrón se comparta dentro de los bloques", dijo Liu.
A continuación, el grupo Tao llevó a cabo experimentos de conductividad en hebras cortas de ADN de seis a 16 bases, llevando bloques alternos de tres a ocho bases de guanina. Al unir su ADN de prueba entre un par de dos electrodos de oro, el equipo podría encendery controle una pequeña corriente para medir la cantidad de carga eléctrica que fluye a través de la molécula.
Descubrieron que al variar un patrón simple repetido "CxGx" de letras de ADN que denominaron "bloques G" por el número impar o par de letras G o C, había un patrón par-impar en la capacidad deADN para transportar electrones. Con un número impar, hubo menos resistencia y los electrones fluyeron más rápido y más libremente más como una onda para abrir un camino a través del ADN.
Pudieron ejercer un control preciso del nivel molecular y hacer que los electrones salten conocido como transporte incoherente, el tipo que se encuentra en la mayoría de los semiconductores o fluyan más rápido transporte coherente, el tipo que se encuentra en los metales en función de las variaciones en el patrón de secuencia de ADN.
El trabajo experimental confirmó las predicciones de la teoría.
cargo de información
Los resultados arrojan luz sobre una controversia de larga data sobre la naturaleza exacta del transporte de electrones en el ADN y podrían proporcionar información sobre el diseño de la nanoeléctrica de ADN y el papel del transporte de electrones en los sistemas biológicos, dice Beratan.
Además de las aplicaciones electrónicas prácticas basadas en el ADN que el grupo ha presentado varias patentes, uno de los aspectos más interesantes es relacionar su trabajo, hecho con tramos cortos de ADN, a la compleja biología del ADN que crece dentrode cada celda.
Lo más importante para la supervivencia es mantener la fidelidad del ADN para transmitir una copia exacta de la secuencia de ADN cada vez que una célula se divide. A pesar de muchos mecanismos de protección redundantes en la célula, a veces las cosas salen mal y causan enfermedades. Por ejemplo, la absorcióndemasiada luz UV puede mutar el ADN y desencadenar cáncer de piel.
Una de las letras químicas del ADN, "G", es la más susceptible al daño oxidativo al perder un electrón piense en la oxidación del hierro, como resultado de un proceso de oxidación similar. Xiang señala que largos tramos de G tambiénencontrado en los extremos de cada cromosoma, mantenido por una enzima especial conocida como telomerasa. El acortamiento de estos estiramientos G se ha asociado con el envejecimiento.
Pero por ahora, el equipo de investigación ha resuelto el enigma de cómo la información del ADN influye en la carga eléctrica.
"Este marco teórico nos muestra que la secuencia exacta del ADN ayuda a determinar si los electrones pueden viajar como partículas, y cuándo pueden viajar como ondas", dijo Beratan. "Se podría decir que estamos diseñando la personalidad ondulatoria delelectrón."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Arizona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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