ПЕРВЫЙ САМОСОБИРАЕМЫЙ НАНОТРАНЗИСТОР НА ДНК ОСНОВЕ

 

Как следует из публикации в журнале Science (302, р. 1380), израильские ученые из Технологического института " Технион" (Technion) во главе с физиком Эресом Брауном использовали особенности структуры ДНК и электронных свойств углеродных нанотрубок, впервые создав самособирающийся электронный нанотранзистор.

Открытые недавно нанотрубки обладают удивительными свойствами и позволяют рассчитывать на подлинный прорыв в миниатюризации электронных устройств. Главные трудности в этом направлении пока связаны с большими затратами времени и труда при получении любых устройств на этой основе. Израильским ученым впервые удалось преодолеть эти трудности, применив при сборке технологию, состоящую из нескольких этапов.

При помощи специальных белков, полученных от широко известной бактерии кишечной палочки (Е.соli), исследователи связали углеродные (графитовые) нанотрубки, покрытые антителами, с определенными участками молекулярных цепочек ДНК, после чего оставшуюся часть молекулы ДНК превратили в проводник. При погружении этой " конструкции" в раствор, содержащий ионы серебра, последние осаждались только на тех участках ДНК, которые не были предварительно покрыты указанным белком. На заключительном этапе поверхность еще и " позолотили" для того, чтобы уменьшить сопротивление. В результате ученые получили углеродную нанотрубку, оба конца которой оказались соединенными проводником. Полученное устройство действует как транзистор, реагируя на изменения разности потенциалов, приложенной к субстрату.

В трех сериях экспериментов ученым удалось получить 45 действующих нанотранзисторов, причем примерно треть из них представляла собой самосборки. Устройства могут действовать при комнатной температуре, а единственное ограничение пока связано с тем, что все их компоненты одновременно должны быть пригодны для протекания биохимических реакций и электролитических процессов. Ученые уже сумели соединить между собой два подобных устройства, используя для этой цели чисто биологические методы.

" ДНК — прекрасный строительный материал для конструирования в молекулярной биологии, но, к сожалению, он не проводит электричество, — объясняет профессор Браун. — Нам удалось нанести на нее металлическое покрытие, обеспечив электропроводность".

" Этот результат демонстрирует возможность, используя чисто биологические методы, получать действующие неорганические устройства", — подчеркивает эксперт по нанотехнологиям Сиз Дэккер из Университета Дельфта (Нидерланды). Впрочем, по его мнению, понадобится еще много лет упорных исследований прежде, чем ученые научатся получать самособирающиеся макроскопические электронные устройства. Эксперты по нанотехнологии уже назвали эту работу " выдающимся достижением" и " первым практическим шагом на пути к созданию молекулярного компьютера".

 

 

ЖИДКАЯ ФОРМА ДНК

 

 

Исследователям из Университета Северной Калифорнии Чапль-Хилла, США, удалось создать жидкую форму молекулы ДНК. Если помните, эта молекула имеет спиралевидную структуру и содержит множество отдельных элементов, которые служат своего рода программой для синтеза белка в живых клетках.

Обычно для изучения ДНК молекулы помещают в водный раствор. Теперь группа химиков под руководством Холдена Торпа и Ройса Мюррея предложила разжижать сами молекулы путём химической связи отрицательно заряженных молекул ДНК (в кристаллической форме) с положительно заряженным расплавом ряда солей металлов. Получающаяся в результате густая жидкость проводит электрический ток и, вероятно, может быть применена для реализации давешней идеи генетиков о распознавании последовательностей генов при помощи самой ДНК. Кроме того, жидкая ДНК растворяется в тех растворителях, которым она не поддавалась в твёрдом виде, что может принести новые способы изучения этой таинственной молекулы.

Однако на этом эксперименты не завершились. Во французской Лаборатории физики твёрдых тел Алик Казумов с коллегами показали, что ДНК способна проводить электрический ток и оставаясь в кристаллическом состоянии. Учёные изготовили специальную установку из двух миниатюрных сверхпроводящих электродов, выполненных из рения и углерода, отстоящих друг от друга на расстояние в 0, 5 нанометра и соединённых между собой молекулой ДНК. Пропустив по образовавшейся цепи ток, они смогли измерить электрическое сопротивление, которое составило менее 100 кОм на молекулу. Интересно, что физический механизм, ответственный за перенос зарядов, не ясен до сих пор. Но самое интересное, что проводимость ДНК слабо зависит от температуры: вплоть до 1 Кельвина она остаётся почти неизменной, а ещё ниже, по всей вероятности, ДНК обретает свойства сверхпроводника.

 

 

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ ДНК

 

 

Сегодня физики утверждают, что никакой собственной электропроводности, а тем более сверхпроводимости у ДНК нет - все наблюдаемые на молекуле наследственности электрические эффекты обусловлены связанными с ней молекулами воды.

Со сверхпроводимостью ДНК, демонстрируемой в разных лабораториях мира, связывались многие надежды - от использования этой молекулы в нанотехнологиях до создания ДНК-ового компьютера. Публикация в последнем выпуске специального издания Physical Review Letters по выражению издания New Scientist, " забила в гроб этих представлений последний гвоздь". Ученые из Калифорнийского Университета в Лос-Анджелесе (University of California, Los Angeles) показали, что проводимость в цепях ДНК напрямую зависит от влажности, под которой подразумевается слой молекул поляризованной воды, покрывающий биологическую молекулу. " ДНК имеет водный слой практически в любых условиях. Мы систематически изменяли число водных слоев и показали, что проводимость происходит от молекул воды, а нет от электронов ДНК" –говорит руководитель исследования Георг Грюнер (George Gruner).

До сих пор ДНК считалась проводником переменного, но не постоянного тока. И калифорнийские ученые указывают на то, что именно этого следовало ожидать в том случае, если электропроводность ДНК обусловлена обволакивающей ее водой. Вода – это полярная молекула, перемещаясь по которой электроны производят переменный ток. Они не могут свободно проходить молекулу за молекулой, создавая сплошной поток, называемый постоянным током. Самым естественным объяснением наблюдаемых на ДНК явлений, по мнению соавтора Грюнера Питера Эрмитажа (Peter Armitage), является то, что ДНК вообще не проводит электричество. В другой работе, выполненной в Принстонском Университете в Нью-Джерси (Princeton University in New Jersey) Фуаном Онгом (Phuan Ong) и опубликованной месяц назад и вовсе утверждается, что ДНК – это изолятор. Онг удалил налипшие на ДНК воду и соль, затем привязал эти " очищенные" молекулярные цепочки к золотым электродам. Биологический полимер, коим является ДНК, перестал проводить электричество. В свете новых данных предполагается, что сверхпроводимость ДНК, о которой, в частности, писал журнал Science в 2001 году, могла быть обусловлена покрывающими ее в эксперименте атомами рения. Кое-кто из физиков говорит, что ДНК может служить полупроводником, если к ней подмешать атомы с избытком электронов. Иными словами, для использования молекулы наследственности не по прямому назначению в перспективе еще не все потеряно.

 

Рекомендуемая литература

 

1. Франк-Каменецкий М.Д. Самая главная молекула.- М.: Наука, 1990.

2. Волькенштейн М.В. Молекулы и жизнь. - М.: Наука, 1965.

3. Бреслер С.Е. Молекулярная биология. - Л.: Наука, 1973.

4. Волькенштейн М.В. Биофизика.- М.: Наука, 1988.

5. Волькенштейн М.В. Общая биофизика. - М.: Наука, 1978.

6. Рубин А.Б. Биофизика. В 2 т.- М.: ВШ., 1987.

7. Рубин А.Б. Теоретическая биофизика. - М.: Университет, 1999.

8. Эткинс П. Молекулы. - М.: Мир, 1991.

9. Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология. В 3 т.-М.: Мир, 1982.

10. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. - М.: Мир, 1987.

11. Перевод под редакцией М.В. Волькенштейна “Структура и стабильность биологических макромолекул” М., Мир, 1978 (Сборник статей из II тома серии “Биологические макромолекулы”)

12. Смосарев А.А. Биология с общей генетикой. - М.: Медицина, 1978.

13. Льюин Б. Гены. - М.: Мир, 1987.

14. Тагер А.А. Физическая химия полимеров. - М.: Химия, 1968.

15. Бартеньев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров. - М.: ВШ, 1983.

16. Волькенштейн М.В. Молекулярная биофизика. - М.: Наука, 1975.

17. Шантрен Ю. Биосинтез белков. - М., 1963.

18. Кушнер В.П. Коформационная изменчивость и денатурация полимеров. – Л.: Наука, 1977.

19. Перевод под редакцией Б. Хеймса, С. Хиггинса “Транскрипция и трансляция. Методы” М., Мир, 1987

20. Зотин А. И. ответственный редактор “Термодинамика биологических процессов” - М., Наука, 1976

21. Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Статистическая физика макромолекул. - М.: Наука, 1989.

22. Тюдзе Р., Каван Т. Физическая химия полимеров. - М.: Химия, 1977.

23. Рубин А.Б. Термодинамика биологических процессов. - М.: Моск. Ун-т, 1984.

24. Бартеньев Г.М., Зеленев Ю. В. Курс физики полимеров. - Л.: Химия, 1976.

25. Фершт Э. Структура и механизм действия ферментов. - М.: Мир, 1980.

26. Шульц Г.Е., Ширмер Р.Х. Принципы структурной организации белков - М.: Мир, 1982.

27. Степанов М. Молекулярная биология. Структура и функции белков. - М.: ВШ, 1996.

28. Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. - М.: Университет, 2002.

29. Франк-Каменецкий М.Д Структура ДНК. Эффекты последовательности. - США.: Энциклопедия. Наука жизни, 2002.

30. Оглезнева Н.Я. Медицинская и биологическая физика. - Омск, 1994.

31. Кантор И., Шиммел П. Биофизическая химия. В 3 т. - М.: Мир, 1984-1985.

32. Ленинджер А. Биохимия. т.1. - М.: Мир, 1986.

33. Рыбин И.А. Лекции по биофизике. – Свердловск: Свердловский ун-т, 1990.

34. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж. Молекулярная биология клетки. В 3 т. - М.: Мир, 1994.

35. Гросберг А.Ю, Хохлов А.Р. Физика в мире полимеров. - М.: Наука, 1989.

36. Пташке Х. Переключение генов. - М.: Мир, 1988.

37. Костюк П.Г. Биофизика. - Киев, 1988.

38. Маррн Э. Биохимия человека. - М.: Мир, 1993.

39. Пригожин И.И. От возникающего к существующему. - М., 1985.

40. Рубин А.Б. Лекции по биофизике. - М.: МГУ, 1994.

41. Кольс О.Р. Биофизика ритмического возбуждения. - М.: МГУ, 1993.

42. Дюв К. Путешествие в мир живой клетки. - М.: Мир, 1987.

43. Рис Э., Стенберг М. От клеток к атомам. - М.: Мир, 1988.

44. Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия. - М.: Просвещение, 1987.

 

Статьи:

1. Тихонов А.Н. Молекулярные моторы.// Соросовский образовательный журнал. – 1999. - №6.

2. Шайтан К.В. Конформационная подвижность белка с точки зрения физики.// Соросовский образовательный журнал. – 1999. - №5.

3. Шайтан К.В., Немухин А.В., Фирсов Д.А., Богдан Т.В., Тополь Н.А. Электронно-конформационные взаимодействия и значение эффективных зарядов на атомах в пептидах.// Молекулярная биология. – 1997. - т.31.

 

 

⇐ Предыдущая17181920212223242526

Поделиться: