Как сделать электрический провод из ДНК
Способность ДНК проводить электрический ток зависит от последовательности в ней генетических «букв».
Совсем недавно мы рассказывали о том, почему ворсинки-пили некоторых бактерий способны проводить ток: ароматические аминокислоты, торчащие в определённом порядке по всей длине ворсинки, перекидывают друг другу электроны, создавая тем самым движение заряженных частиц и электрическое поле.
Проводимость такого белкового провода оказывается очень хорошей, почти как у меди. Но электрический провод можно сделать не только из белка. В статье в Nature Chemistry исследователи из Университета штата Аризона и Университета Дьюка сообщают, что хорошую электропроводку в принципе можно сделать из «главной молекулы жизни», то бишь из ДНК.
Дело тут, разумеется, не столько в том, что длинная спиральная ДНК сама по себе напоминает электрошнур. Всякая молекула – это атомы, чьи электроны могут быть в той или иной степени свободными. Свободные электроны могут перебегать с места на место, при условии, конечно, если им есть куда бежать. У ДНК такие «потенциально бегающие» электроны есть, однако довольно долго не было ясно, как именно они могут перемещаться по молекуле.
Как известно, электронам присущ квантово-волновой дуализм, то есть они ведут себя и как частицы (кванты), и как волны. Ранее Нун Цзянь Тао (Nongjian Tao), Дэвиду Бератану (David N. Beratan) и их коллегам удалось установить, что на разных расстояниях электроны ДНК ведут себя по-разному: если на небольшой дистанции электроны распространяются подобно волне, то на большом расстоянии они больше напоминают частицы, прыгающие с места на место, как это происходит в полупроводниках. Если говорить об эффективности, то первый способ предпочтительнее: электроны «в виде волны» двигаются слаженнее и быстрее, чем «в виде частицы».
В своих новых экспериментах исследователи захотели выяснить, можно ли сделать так, чтобы электроны в ДНК «ходили волнами» и на большие расстояния тоже. Как мы знаем, каждая цепь ДНК состоит из множества мономеров: прикреплённых к сахару рибозе четырёх азотистых оснований (А, Т, G, С), кодирующих генетическую информацию; в свою очередь, рибозы с основаниями соединены в нить через фосфорную кислоту.
Двуцепочечная нить ДНК достаточно прочная, однако она может сгибаться, менять форму, параметры спирали могут меняться в сторону большей или меньше спирализованности и т. д. – и всё это влияет на то, как электроны будут в ней путешествовать. Наконец, сама последовательность оснований здесь тоже важна – можно предположить, что какие-то комплексы генетических «букв» окажутся более проводящими, чем другие.
Действительно, с помощью компьютерного моделирования удалось выяснить, что повторяющиеся гуаниновые (G) блоки помогают электронам бегать волнами не только на малые, но и на большие расстояния. И что такие участки помогут электронам справиться с препятствиями, возникающими из-за движения разных частей ДНК-цепочки, из-за изогнутостей, искривлённостей и т.д.
Эксперименты с короткими, длиной всего в 6–16 генетических «букв» фрагментами ДНК показали, что всё действительно так: гуаниновые комплексы улучшают проводимость молекулы. Поскольку основания цепей соответствуют друг другу по принципу комплементарности, то есть если в одной стоит А, то в другой будет Т, и если в одной – G, то в другой – С, то и гуаниновые блоки выглядели как чередование GC.
Иными словами, последовательность ДНК влияет на поведение электронов и на проводимость самой молекулы. Очевидно, можно попытаться синтезировать такую ДНК, в которой электроны обеспечивали бы хорошую проводимость – такая молекула, возможно, смогла бы составить конкуренцию тем бактериальным ворсинкам, о которых шла речь в начале. С другой стороны, проводимость должна меняться из-за мутаций, то есть из-за изменений в последовательности ДНК, что можно было бы как-то использовать в медицинской генетике.
