Обнаружен новый тип движения заряда по ДНК

Электрические заряды проходят не только по проводам: они также перемещаются вдоль нитей ДНК, молекул жизни. Это свойство известно как перенос заряда.

В новом исследовании, опубликованном в издании Nature Chemistry, Ли Мин Цзян, Хулио Палма, Кристофер Бруо и другие из Института биодизайна университета штата Аризона изучили пути, которыми электрические заряды передвигаются вдоль ДНК, прикрепленных к паре электродов.

Работа представила новый механизм переноса заряда, который отличается от двух известных паттернов, в которых заряд либо туннелирует, либо прыгает вдоль оснований цепи ДНК.

Исследователи предсказали, что основополагающая работа этого вида будет иметь большое значение в проектировании нового поколения функциональных электронных устройств на основе ДНК, а также обеспечит новое понимание рисков для здоровья, связанных с повреждением ДНК.

Оксидативное повреждение, как считается, играет роль в начале и развитии рака. Также оно вовлечено в нейродегенеративные расстройства, такие как болезнь Альцгеймера, болезнь Хантингтона и болезнь Паркинсона, среди множества других человеческих недугов.

Транспортные роли

Передача электронов часто расценивается как наиболее простая форма химической реакции, но она играет критическую роль в широком спектре поддерживающих жизнь процессов, включая дыхание и фотосинтез.

Перенос зарядов способен также производить отрицательные эффекты на живые системы, особенно посредством оксидативного напряжения, что вызывает повреждение ДНК и участвует в развитии широкого диапазона заболеваний.

«Когда ДНК подвергается воздействию ультрафиолета, есть шанс, что одно из оснований, например, гуанин, окисляется, а это значит — теряет электрон», сказал Тао. (Гуанин легче окисляется, чем три других основания — цитозин, тимин и аденин, а потому это наиболее важное основание для переноса заряда).

В некоторых случаях ущерб ДНК возмещается, когда электрон мигрирует с другой части нити ДНК, чтобы заменить недостающий. Восстановление ДНК — непрерывный продолжающийся процесс, хотя со временем эффективность его несколько снижается — это один из факторов старения. Окисление беспорядочно повреждает ДНК и РНК, что может повлиять на нормальный клеточный метаболизм.

Исследователи надеются лучше понять перенос зарядов в ДНК, и молекула обеспечивает уникальную испытательную базу для наблюдений. Длина молекулы ДНК и последовательности 4 нуклеотидов — гуанина, цитозина, тимина и аденина - может легко изменяться, и исследования показали, что повреждение ДНК влияет на перемещение заряда через молекулу.

Когда в основаниях ДНК происходит потеря электрона, на его месте остается отверстие или дыра, несущая положительный заряд и способная двигаться вдоль ДНК под воздействием электрического или магнитного поля, точно как электрон. Движение положительно заряженных дыр вдоль ДНК — в фокусе текущего исследования.

Транспорт заряда, простой и необычный одновременно

Ранее уже были подробно исследованы два первичных механизма переноса заряда. На коротких расстояниях электрон демонстрирует свойства волны, проходя прямо через молекулу ДНК. Этот процесс есть не что иное, как квантово-механический эффект под названием туннелирование.

Перенос заряда в ДНК (и других молекулах) на более длинные дистанции вовлекает прыгание. Когда заряд прыгает с точки на точку вдоль сегмента ДНК, то ведет себя классическим образом и теряет свойства волны. Во время туннелирования электрическое сопротивление растет по экспоненте, а во время прыгания — линейно.

Прикрепив к двум концам молекулы ДНК электроды, исследователи сумели контролировать проход заряда через молекулу и увидели нечто новое: оказывается, существует третий, промежуточный тип поведения заряда. Он напоминает прыгание, но одновременно демонстрируются волновые свойства.

Зато дыры, наблюдаемые в аналогичных последовательностях ДНК, оказались делокализованы и распространились на несколько пар оснований. Эффект не был ни линейным, ни экспоненциальным увеличением электрического сопротивления, а, скорее, периодической осцилляцией. Феномен, как было установлено, оказался высоко секвенс-зависимым, с нагроможденными друг на друга парами оснований гуанина-цитозина, вызывающими наблюдаемую осцилляцию.

Контрольные эксперименты показали линейное увеличение сопротивления с длиной молекулы, в сочетании с обычным прыганием.

Ученые намерены и далее исследовать поведение зарядов в ДНК.