ДНК вызывает интерес не только благодаря своей роли в хранении генетической информации, но и как потенциальный материал для создания нанопроводов в молекулярной электронике.
Нанопроволоки, изготовленные из молекул ДНК и наночастиц серебра, разработала международная группа ученых, среди которых были исследователи из России (включая специалистов из МФТИ) и Израиля. О результатах этой работы сообщается в журнале Advanced Materials и помещены на обложку.
Ежегодно электронные схемы и приборы становятся всё более компактными и обладают большей производительностью. Тем не менее, традиционная электроника приближается к своему технологическому ограничению, а разработка эффективных наноэлементов остаётся актуальной задачей для уменьшения размеров и повышения качества электронных и оптических устройств. В связи с этим, переход к молекулярной электронике, основанной на использовании отдельных молекул в качестве электронных компонентов, представляется перспективным решением. Молекулярные нанопроволоки способны служить основой для множества схем, и для этой цели молекулы ДНК, благодаря своей структуре и способности к самоорганизации, могли бы быть весьма подходящими.
«Если бы молекулы ДНК демонстрировали воспроизводимую электропроводность, создание новых поколений электронных схем и электрических устройств стало бы простым. Однако, проводимость ДНК часто бывает низкой, особенно при её фиксации на твердой поверхности. Наши исследования показали, что ДНК, содержащая гуанин-цитозиновые пары, способна взаимодействовать с наночастицами серебра и включать в свою структуру атомы этого металла. Это приводит к её металлизации», — отмечает Дмитрий Клинов, руководитель лаборатории медицинских нанотехнологий ФНКЦ ФХМ и преподаватель кафедры молекулярной и трансляционной медицины МФТИ.
ДНК представляет интерес не только как носитель генетической информации, но и как перспективный материал для создания нанопроводов в молекулярной электронике. Ранее авторы исследования выявили уникальные характеристики этой молекулы. Во-первых, она способна проявлять сверхпроводящие свойства, если её поместить между двумя сверхпроводниками (наведённая сверхпроводимость). Во-вторых, молекулы ДНК способны самостоятельно осуществлять транспорт заряда, однако, эффективность зависит от подложки, на которую они нанесены. Перенос заряда через ДНК может быть усилен за счёт расположения атомов металлов вдоль цепи, но добиться равномерного покрытия сложно, и оставшиеся неметаллизированные фрагменты ДНК ухудшают способность проводить электричество. Авторы работы заметили, что ДНК, состоящую из цепи гуанина и комплементарной ей цепи цитозина (ГЦ-ДНК), можно равномерно металлизировать атомами серебра.
Процесс металлизации довольно прост: ГЦ-ДНК добавляют к раствору серебряных наночастиц, покрытых олигонуклеотидами, частицы вводят в клетки, где они остаются на 2–3 дня. Эти частицы взаимодействуют с ДНК, передавая ей свои атомы (см. схему). В результате этой процедуры ДНК равномерно покрывается атомами серебра. Учёные называют полученную молекулу Э-ДНК («Э» — электрическая). Э-ДНК становится более прочной и устойчивой к механическим повреждениям, а также не поддаётся разрушению ферментами, которые воздействуют на исходную молекулу. Высота Э-ДНК, определяемая с помощью атомно-силового микроскопа, увеличивается с 0,7 нм до 1,1 нм.
«Благодаря равномерному распределению атомов металла вдоль молекулы ДНК, мы предполагаем, что данная нанопроволока обладает высокой электропроводностью», — объясняет Дмитрий Клинов.
В последующих исследованиях авторы планируют продолжить изучение характеристик Э-ДНК и процессов металлизации.