Biologiske og fysiske undersøgelser af DNA-struktur har vist stor interesse i den elektroniske egenskaber af DNA (1). Dannelse af DNA-læsioner som følge af stråling effekt og ionisering potentielle studier af kvælstofholdige baser i DNA har sporet forskere i retning af DNA-elektronik (2). Foruden besiddelse af nødvendige π-elektron rigt grundlag for ledningsevne, også DNA besidder nano-skala dimensioner for nano-elektronik (3, 4). Disse egenskaber gør DNA et lovende materiale til molekylær elektronik. Elektriske egenskaber af DNA er ved at blive undersøgt med det formål at producere nanoskala apparater såsom molekylær ledning (5, 6). Tidligere IV karakterisering blev impliceret i photoinduced ladningsoverførsel undersøgelser (7), hvorimod de seneste undersøgelser har drejet sig om direkte elektriske målinger. Den elektriske ledningsevne målinger har givet tvetydige både eksperimentelle og teoretiske resultater, udtaler DNA besidder en bred vifte af adfærd. Forskerne studerede IV fremtræder som komplette genom af λ-bakteriofag og kemisk syntese oligos op til 30 bp (8, 9). IV karakterisering af naturlige DNA samler lave og høje guanin rige regioner er adskilt af mellemliggende sekvenser. Sekvenser med rig guanin indhold har stort potentiale for fremtidig Nanotråd, da guanin er at have de laveste oxidation potentiale blandt fire baser constituting DNA-sekvens (10). Ikke mere litteratur er blevet rapporteret for IV egenskaber guanin rige iboende sekvenser af λ-bakteriofag. Denne undersøgelsesrapport om direkte IV målinger af dobbelt strandede iboende guanin rige λ-DNA-sekvenser. Tre guanin rige regioner blev udvalgt til denne undersøgelse, så elektriske adfærd DNA-nanotråde ikke bør være påvirket som følge af lav guanin indhold. Disse iboende sekvenser af forskellig størrelse blev syntetiseret af Polymerase Chain Reaction (PCR) ved hjælp af særlige thiolated primere. Materiale og metoder Specifikke Thiolated (5 'ender) primere PR1 (1F-ATGCTTGAACCCGCCTATGC, 1R-TCACTTCATGCTTCGGCTTGAC), PR2 (2F-TGGGATATTACGTCAGCGAGGAC, 2R-CACTTCATGCTTCGGCTTGAC) og PR3 (3F-TGACTGCTGCTGCATTGACG, 3R-GCCATGATTACGCCAGTTGTAC) blev besluttet Gene løberen 3,05 program ved at plotte GC % vs λ-DNA-sekvens (48502 bp). Primere blev syntetiseret og indkøbt fra Bio Basics Inc., Canada . Standardisering af forstærkning betingelser for specifikke primere (PR1, PR2 & PR3) blev udført på MJ Research Gradient variator (PTC-200). Forskellige sæt af betingelser blev brugt, så den maksimale forstærkning kan opnås. Optimal forstærkning opnås forholdene var 560C, 560C og 550C og 1,5 mm Mg - + ion koncentreret. λ-DNA blev brugt som skabelon for at forstærke fragment af 1910 bp (0,6494 x 10 -4 cm), 2947 bp (1 x 10 -4 cm) og 3970 bp (1,3498 x 10 -4 cm). PCR-syntetiserede guanin rige sekvenser (SQ1 = 1910 bp; SQ2 = 2947 bp; SQ3 = 3970 bp) blev renset ved hjælp af Nucleotrap PCR Oprensning kit. En procedure til at fremstille guld elektrode med afstand 0,6, havde 1,0 og 1,3 μm blevet beskrevet andetsteds (11). Kort sagt blev mikroelektroder fabrikeret på guld belagt (30 nm) glas wafer hjælp Optisk Pincet Cum Microlaser Dissektion Combi System. Guld blev ablated ved at anvende UV-laser (λ-337 nm) på 4 ns impulsvarighed med energi på 20 μJ og gennemsnitlig effekt på 0,66 mW. Elektroder blev rengjort med Piranha løsning [H 2 SO 4: H 2 O 2: 3:1 (v / v)] Som tidligere nævnt (12). En dråbe (0,2 μl) af tilberedte DNA-prøver (SQ1, SQ2 & SQ3) blev pipetterede ud over fysisk adskilte elektroder til deres immobilisering henblik på at etablere inter-element ledninger. Det var inkuberet i en periode på 16 timer og derefter vaskes grundigt med deioniseret destilleret vand. Til sidst blev det kvælstof tørret og IV præget på desktop probe station ved signatone fastgjort med Hewlett-Packard HP4155A, Semiconductor Parameter Analyzer at have en intern modstand på ≥ 1013 W og aktuelle opløsning på 10 FA. λ-DNA blev immobiliseret som nævnt tidligere (12). Alle kemikalier og enzymer for molekylær biologi grad blev indkøbt fra Q. BIO-genet; BIO BASIC INC., Canada ; USBIOLOGICAL , USA ; Sigma Aldrich , USA og Pierce , USA . Alle løsninger blev udarbejdet i deioniseret (18 MOhm) destilleret ultrarent vand (ELGA Purelab ultra-system). Prøverne blev udarbejdet i deioniseret vand for at udelukke rollen som counter-ion effekt i DNA ledningsevne. Magnesium og andre biologiske uorganiske ioner blev ikke tilføjet, da de galt baser i DNA og RNA (13). Resultater IV Målinger: PCR syntetiseret guanin-rige (SQ1, SQ2 og SQ3) og λ-DNA-sekvenser blev immobiliseret mellem mikro-elektroder. Mængden af DNA mellem elektroder blev anslået til at være ~ 1-4 x 10 -1 ng for SQ1, SQ2 og SQ3 og ~ 4,0 x 10 -2 ng for λ-DNA. Isotrope elektriske karakteristisk blev observeret i hvert enkelt tilfælde. Derfor er strukturen af DNA menes at være i amorfe tilstand, dvs tilfældigt fordelt (14). For at sikre, at den observerede ledningsevne skyldtes DNA og ikke på grund af forurening, blev kontrolleret eksperimenter udført. Elektroder med immobiliserede DNA blev inkuberet i 30 minutter i en opløsning, der indeholder DNase-I. Dette enzym specifikt skærer dobbelt strandede DNA. IV karakterisering af DNase behandlet elektrode viser ingen strøm. Dette sikrer tilstedeværelsen af DNA mellem elektroderne. I et andet styre eksperiment, blev elektroder givet microlaser behandling i stedet for DNase, igen var resultatet samme. Den slags egenskaber opnået udelukke rolle tælleren ioner effekter. Det forventes ikke at resultere i kraftig nedgang i varmeledning, hvis der er en tæller ioner effekt (Fig. 1D). Den mest accepterede faktor kan bidrage til ledningsevne langs DNA dobbelt helix skyldes, at mobile imødegå ion vand tynd film. Mens mobile counter ioner kan bidrage til ledningsevne ved stuetemperatur, kvælstof tørring af prøver, før der udføres ledningsevne måling og det kraftige fald i ledningsevne med stigende længde regler ud for sin betydelige rolle.     Figur 1. IV karakteristika iboende sekvenser af λ-DNA. A-λ-DNA, B-SQ1, C-SQ2 og D-SQ3. Figur 1 sammenligner IV karakteristika λ-DNA, SQ1, SQ2 og SQ3 på -1 til +1 V. Aktuelt blev målt ved normal og omvendt polaritet (N / R), blev isotropisk egenskaber observeret. Spænding fejer blev udført både i negativ til positiv retning, og den fine struktur samt den overordnede form af data er spejlet omkring nul bias for op i forhold til ned sweeps. Gennemsnit af tre målinger for hvert enkelt tilfælde er vist i figur 1 og evalueringen er blevet rapporteret i tabel 1 for SQ1, SQ2 og SQ3. Tabel 1. IV målebetingelser og resultater for SQ1, SQ2 og SQ3. | SQ1
(1910 bp) | -1 Til +1 | 0,6 μm | N / R | ~ 0,16 eV | 6,20 x 10 -5 A | 1,61 x 10 4 Ω | SQ2
(2947 bp) | -1 Til +1 | 1,0 μm | N / R | ~ 0,22 eV | 3,23 x 10 -8 En | 3.09x 10 7 Ω | SQ3
(3970 bp) | -1 Til +1 | 1,3 μm | N / R | ~ 0,02 eV | 1,37 x 10 -10 A | 7,29 x 10 9 Ω |
Meget lave strøm i intervallet pA blev observeret for λ-DNA (Fig. 1A). SQ1 og SQ2 er udpræget lineær, med et båndgab op til ~ 0,16 og ~ 0,22 eV, ud over hvilken betydelig strøm forekommer (figur 1B & C). Nuværende område på 10 μA og 10 nA blev observeret for SQ1 og SQ2 hhv. SQ3 viser næsten samme adfærd som i tilfælde af λ-DNA med et båndgab på 0,02 eV og strøm i 10 PA området (Fig. 1D). Elektronisk Kobling Elektronisk kobling energi er en vigtig ingrediens for alle de modeller, der beskriver DNA ledningsevne. I øjeblikket var det beregnet ved hjælp af enkelt punkt beregninger af den neutrale G: C (A: T) NG: C på B3LYP/6-31G (d, p) geometri ved hjælp af semi empirisk mellemliggende forsømmelse af forskellen overlap (INDO) Hamiltonian. Afstanden (r) mellem basepar dvs afstanden mellem det dobbelte leddede aromatiske fragmenter i tredje dimension blev holdt konstant som i tilfælde af B-DNA er 3.38 Å. Til sidst, var elektroniske kobling energier for hul transfer fra energierne i homo, og Homo-1 i stakken af basepar, er opnået med den INDO Hamiltonske på DFT/B3LYP optimeret geometri (15, 16). Geometrier af baser og basepar i B-DNA blev skabt ved hjælp af skabeloner til nukleinsyrer fra AMBER kraftfelt som gennemført i HYPERCHEM. De sukker-fosfat rygraden blev fjernet og brint blev tilføjet til standard obligation længder. Basepar afstand og vinklen mellem flyene af to basepar blev holdt 3,38 Å og 36 0, hhv. Diskussion Meget lave strøm i pA serien blev observeret for λ-DNA. Dette kan tilskrives lav tærskel spænding, da den betydelige værdi af strømmen var afholdt til SQ1 og SQ2 på -1 til +1 V. strøm i området på 10 μA og 10 nA blev vist ved SQ1 og SQ2 hhv. Ved allerførste øjeblik, kan denne observation skyldes guanin rigdom af sekvenser, som de udvalgte sekvenser var af guanin rige regioner. På den anden side SQ3 har vist meget forskelligartede vifte af aktuelle ie10 PA. Det aktuelle område er meget tæt på nuværende sortiment observeret for λ-DNA (Fig.1D). Selv om båndgab var mindre for SQ3 i forhold til SQ1 og SQ2 (Tabel 1), var betragtelig nuværende ikke observeret. Procentvis guanin i tre iboende sekvenser af λ-DNA er ~ 58% og i λ-DNA er ~ 49%. GC procentsats blev beregnet i forhold til perspektiv længden af DNA-anvendte sekvenser. Tidligere blev det foreslået (17), at indsættelse af et GC skridt ind i den ellers A: T bro faktisk nedsætter effektiviteten beregning transport, som giver klare beviser for, at strenge guanin hopping ikke kan beskrive langtrækkende DNA-medieret afgift transport. Det er således rækkefølgen længde og mellemliggende baser mellem at gennemføre enheder fastslå ledningsevne i stedet for guanin. Dog kan kravet rolle guanin baser ikke udelades. Det er interessant at bemærke, at aktuelle område er faldet med en faktor 10 3 med fortløbende stigning i rækkefølge længde. Ledningsevne (σ0) evalueret for SQ1 og SQ2 med båndgab af Δ = 0,16 og Δ = 0,22 eV blev anset for at være 2.4x10 5 og 7.7x10 2 Ω -1 cm -1, hhv. At fastslå de komparative ledningsevne på samme bånd mellem SQ1 og SQ2, blev ledningsevne opgjort til Δ = 0,16 eV for SQ2. Det var beregnet til σ0 = 2.3x10 2 Ω -1 cm -1. Det viser ikke nogen signifikant forskel fra ledningsevne beregnet ved båndgab af Δ = 0,22 eV. Den maksimale impedans [max (Imp)], der tilbydes af DNA-segmenter SQ1, SQ2 og SQ3 var en faktor x10 4, x10 7 og x10 9, hhv. Ledningsevne blev ikke evalueret for SQ3 da det har vist isolerende adfærd og høj modstand over 10 9 Ω. For at fastslå hyppigheden af ladningsoverførsel distance i SQ1, SQ2 og SQ3 sekvenser, var deres analyse gjort. Det blev observeret, at gennemføre enheder (GC: CG) er trådt i af (A: T eller T: A) n baser [G: C (A: T) NG: C]. Desuden blev det også konstateret, at 'n' varierer fra 1 til 10 med varierende hyppighed i SQ1, SQ2 og SQ3. Frekvens af n <6 viste sig at være mere i forhold til hyppigheden af n> 6. Stepping med tendens til 'A' eller 'T' mellem at gennemføre enheder 'G' blev forøget træk med stigning i længden. For at finde den rolle mellemliggende baser i DNA ledningsevne, var elektroniske kobling energier beregnet for forskellige hyppigheden af mellemliggende baser mellem at gennemføre enheder (tabel 3). Det viser, at elektroniske kobling energi er stigende med stigningen i antallet af A: T parvis mellem udfører enheder. Elektronisk kobling falder brat op til n = 3 og yderligere stigning i 'n' bratte fald ikke overholdes. Dette resulterer i svag kobling til to tilstødende gennemføre enheder forårsager fald i ledningsevne. Undersøgelsen og diskussionen om ladningsbærere og effekten af nucleobase elektroniske kobling kan være utilstrækkelige til at drage endelige konklusioner om ladningsoverførsel afstand, men det tjener det formål, at mellemliggende baser mellem at gennemføre enheder forårsager betydelig ændring i elektronisk kobling energi, som er en nødvendig ingrediens til opladning overførsel. Tabel 2. Kobling energier beregnes for at gennemføre enheder (G) med mellemliggende baser (A). | GAG | -8,539 | -8,488 | 0,051 | G (A) 2 G | -8,564 | -8,465 | 0,099 | G (A) 3 G | -8,572 | -8,455 | 0,117 | G (A) 4 G | -8,575 | -8,450 | 0,125 | G (A) 5 G | -8,576 | -8,448 | 0,128 | G (A) 6 G | -8,576 | -8,447 | 0,128 | G (A) 7 G | -8,576 | -8,444 | 0,132 | G (A) 8 G | -8,576 | -8,443 | 0,133 | G (A) 9 G | -8,576 | -8,442 | 0,134 | G (A) 10 G | -4,938 | -4,804 | 0,134 |
Det er også rapporteret, at stigende antal (A: T) n (n> 4) ikke blokere gebyr at flytte, hellere A: T fungerer som ladningsbærere (18). Tabel 3 viser også med stigningen i 'n' 1 til 3 elektroniske kobling energi stiger kraftigt, og efter n = 4 sådan tendens mindskes. Dette resultat kan bekræftes af de undersøgelser af Saito et al. (1998), der beregnes ionisering energi til G: C er 7,34 eV, for TAGAT er 6.73 eV, for TTGTT er 6.96 eV (19). Dette viser tydeligt, at tilstødende baser fremme stabilisering dermed fald i IP til TAGAT og TTGTT. Dette tegner sig i gennemsnit for at gribe ind sekvenser er nødvendige for langdistance ledningsevne. Det er dog ikke nødvendigt, at alle mulige sekvens forskelle vil resultere i samme mønster af ledningsevne. Konklusion I det foreliggende tilfælde, blev ledningsevne af iboende guanin-rige sekvenser af λ-DNA fundet at være længden afhængige. Det er udledt af sekvenser evaluering og elektroniske kobling energier beregning mellem to gennemføre enheder, ledningsevne af de undersøgte sekvenser blev ændret ved hyppigheden af mellemliggende baser. Antallet af mellemliggende baser mellem to gennemføre enhed er ikke konstant eller fast. Variation i mellemliggende baser blev fundet at være stigende med stigningen i DNA-sekvens længden. DNA ledningsevne er ikke helt styret af guanin baser, men også suppleret med 'på' baser. Gennemsnitsberegning af mellemliggende sekvenser er nødvendigt til langdistance ladningsoverførsel. Disse resultater kan give indsigt i den elektriske adfærd guanin-rige sekvenser med varierende mellemliggende baser. Det kan også være nyttige i at ændre ledningsevne af DNA nanotråd. Kvittering Dette arbejde blev støttet af Institut for Bioteknologi (DBT) og Institut for Videnskab og Teknologi (DST). Forfattere er taknemmelige til Dr. Prakash fra GETECH Hyderabad, Indien for mikroelektrode række opspind. Vi er også taknemmelige til Mr. AK Shukla og Dr. Amit Sharma for deres værdifulde vejledning og forslag. En af os forfattere (Ram Ajore) takket Rådet for videnskabelig og industriel forskning (CSIR), Delhi for at give fællesskab |
1. Bhalla V., Bajpai RP og Bharadwaj LM, "DNA elektronik", EMBO rapporter, 4, 1-4, 2003. 2. O'Neill P. og Fielden EM, "Primary frie radikaler processer i DNA", Adv Radiat Biol, 17, 53, 1993. 3. Warman JM, de Hass MP og Rupprecht A., "DNA: En molekylær ledning", Kemisk fysiske breve, 294, 319-322, 1996. 4. Joachim C., Gimzewski JK og Aviram A., "Electronics anvendelse af hybrid-molekylære og mono-molekylære enheder" Nature, 408, 541-548, 2000. 5. Kasumov AY, Kodak M., Gueron S., Reulet B., Volkov VT, Klinov DV og Bouchia H., "Proximity-induceret superledning i DNA", Science, 291, 280, 2001. 6. Storm AJ, Noort JV, Vries SD og Dekker C., "Isolerende adfærd for DNA-molekyler mellem nanoelectrodes på 100 nm længdeskala", Applied Physics Letters, 79, 3881-3883, 2001. 7. Kelley SO og Barton JK, "Electron overførsel mellem baser i dobbelt heliske DNA", Science, 283, 375, 2002. 8. Yoo K.-H., Ha DH, Lee J.-O., Park JW, Kim J., Kim JJ, Lee H.-Y, Kawai T. og Choi H.-Y, "Elektrisk overledning via poly (DA)-poly (dT) og poly (GD) - (DC) DNA-molekyler".., Phys. Rev Lett, 87, 198102-05, 2001. 9. Porath D., Bezryadin A., De Vries S. og Dekker C., "Direkte måling af elektriske transport gennem DNA-molekyler", Nature, 403, 635-638, 2000. 10. Bharadwaj LM, Kaur I. , Kumar R. og Bajpai RP, "Design simulering af DNA-baserede elektroniske komponenter", Proc. af SPIE, 4937, 226-230, 2002. 11. Kumar S., Kumar R., Shukla AK og Bharadwaj LM, "Mikroelektroder fabrikation ved hjælp af laser saks", Materialer Breve, 61, 3829-3832, 2007. 12. Ajore R., Kumar R., Kaur I., Sobti RC og Bharadwaj LM, "DNA immobilisering kemiske forstyrrelser på grund af aggregater undersøgelse, som dip og-slip tilgang", Journal of biokemiske og biofysiske metoder, 70, 779-785, 2007. 13. McFail-Isom L., Shui L. og Williams L D., "Divalente kationer stabilisere galt kropsbygning af DNA og RNA ved at interagere med base π-system", Biokemi, 37, 17105-17111, 1998. 14. Otsuka Y., Lee H.-Y., Gu J.-H., Lee J.-O., Yoo K.-H., Tanaka H., Tabata H. og Kawai T., "Indflydelse af fugtighed på den elektriske ledningsevne af syntetiseret DNA-film på nanogap elektrode ", JPN. J. Appl. Phys, 41, 891-894, 2002. 15. Lu S.-Z., Li X.-Y. og Liu J.-F., "Molecular Orbital Analyse i Evaluering af Electron-Transfer Matrix Element ved Koopmans 'Theory", J. Phys. Chem A, 108, 4125, 2004. 16. Li X.-Y., Tang X.-S. og Han F.-C., "Electron transfer i poly (p-phenylen) oligomerer: Effekten af eksterne elektriske felt og anvendelse af Koopmans teorem ", Chem. Phys, 248, 137, 1999. 17. Williams TT, Odom DT og Barton JK, "Variation i DNA-ansvarlige transport med nukleotid sammensætning og sekvens", Jacs, 122, 9048, 2000. 18. Giese B. og Spitchy M., "Long distance beregning transport gennem DNA: kvantificering og udvidelse af hoppe-model "., Chem. Phys. Chem, 1195, 2000. 19. Saito I., Nakamura T., Nakatani K., Yoshioka Y., Yamaguchi K. og Sugiyama H., "Kortlægning af hot spots for DNA-skader ved en elektron oxidation: Effekt af GG dubletter og GGG trillinger som en fælde i langtrækkende hul migration ", Jacs, 120, 12686-12687, 1998. |