Biologische en fysische studies over de structuur van DNA is gebleken dat veel belangstelling in de elektronische eigenschappen van DNA (1). Vorming van DNA beschadigingen als gevolg van de straling effect en Ionisatiepotentiaal studies van de stikstofbasen van DNA heeft gevolgd onderzoekers naar DNA-elektronica (2). Naast het bezit van vereiste π-elektron rijke basis voor geleidbaarheid, DNA bezit ook nano-schaal afmetingen voor nano-elektronica (3, 4). Deze eigenschappen maken DNA een veelbelovend materiaal voor moleculaire elektronica. Elektrische eigenschappen van DNA worden onderzocht met het doel de productie van nanoschaal-apparaten, zoals moleculaire draad (5, 6). Eerder IV karakterisering werd betrokken door fotogeïnduceerde ladingsoverdracht studies (7), terwijl recente studies hebben gericht op directe elektrische metingen. De elektrische geleidbaarheid metingen zijn dubbelzinnig zowel de experimentele en theoretische resultaten heeft opgeleverd, het uitspreken van DNA beschikt over een breed scala aan gedragingen. Onderzoekers bestudeerden IV kenmerken van volledige genoom van λ-bacteriofaag en chemisch gesynthetiseerde oligo's tot 30 bp (8, 9). IV karakterisering van natuurlijke DNA brengt hoge en lage guanine rijke regio's van elkaar gescheiden door tussenliggende sequenties. Sequenties met een rijke guanine inhoud heeft een hoog potentieel voor de toekomst nanodraad, zoals guanine is het laagst mogelijke oxidatie te hebben onder de vier basen waaruit DNA-sequentie (10). Nooit meer de literatuur is gerapporteerd voor IV kenmerken van guanine rijke intrinsieke sequenties van λ-bacteriofaag. Dit onderzoek rapport op de directe IV metingen van dubbelstrengs intrinsieke guanine rijke λ-DNA-sequenties. Drie guanine rijke regio's werden geselecteerd voor deze studie, zodat elektrisch gedrag van de DNA-nanodraadje mag niet worden aangetast als gevolg van een lage guanine inhoud. Deze intrinsieke sequenties van verschillende grootte werden gesynthetiseerd door Polymerase Chain Reaction (PCR) met behulp van specifieke gethioleerde primers. Materiaal en Methoden Specifieke gethioleerde (5 'uiteinden) primers Pr1 (1F-ATGCTTGAACCCGCCTATGC, 1R-TCACTTCATGCTTCGGCTTGAC), Pr2 (2F-TGGGATATTACGTCAGCGAGGAC, 2R-CACTTCATGCTTCGGCTTGAC) en PR3 (3F-TGACTGCTGCTGCATTGACG, 3R-GCCATGATTACGCCAGTTGTAC) werd besloten op Gene loper 3,05 programma door het plotten van GC % vs λ-DNA-sequentie (48.502 bp). Primers werden gesynthetiseerd en verkregen van Bio Basics Inc, Canada . Standaardisatie van versterking voorwaarden voor de specifieke primers (Pr1, Pr2 & PR3) werden uitgevoerd op MJ Research Gradient cycler (PTC-200). Verschillende sets van omstandigheden werden gebruikt, zodat een maximale versterking kan worden verkregen. Optimale verkregen versterking omstandigheden waren 560C, 560C en 550C en 1,5 mM Mg - + ion geconcentreerd. λ-DNA werd gebruikt als mal om het fragment van 1910 bp (0,6494 x 10 -4 cm), 2947 bp (1 x 10 -4 cm) en 3970 bp (1,3498 x 10 -4 cm) te versterken. PCR gesynthetiseerd guanine rijke sequenties (SQ1 = 1910 bp; SQ2 = 2947 bp; SQ3 = 3.970 bp) werden gezuiverd met behulp van Nucleotrap PCR Purification kit. Een procedure om gouden elektrode te fabriceren met een onderlinge afstand 0,6, was 1,0 en 1,3 micrometer is elders beschreven (11). In het kort werden gefabriceerd op micro-elektroden goud gecoate (30 nm) glas wafer met behulp van optische pincet Cum microlaserperforatie Dissection Combi System. Goud werd geablateerd door het aanbrengen van UV-laser (λ-337 nm) van 4 ns pulsduur met een energie van 20 μJ en gemiddeld vermogen van 0,66 mW. Elektroden werden gereinigd met piranha-oplossing [H 2 SO 4: H 2 O 2: 3:1 (v / v)] zoals eerder vermeld (12). Een daling (0,2 ul) van de bereide DNA-monsters (SQ1, SQ2 & SQ3) werd gepipetteerd over fysiek van elkaar gescheiden elektroden voor hun immobilisatie om inter-element bedrading vast te stellen. Het was geïncubeerd voor een periode van 16 uur en daarna grondig gewassen met gedeïoniseerd gedestilleerd water. Uiteindelijk werd het stikstof gedroogd en IV kenmerkt zich op het bureaublad van probe station door signatone bevestigd met de Hewlett-Packard HP4155A, Semiconductor Parameter Analyzer met een inwendige weerstand van ≥ 1013 W en de huidige resolutie van 10 FA. λ-DNA werd geïmmobiliseerd zoals eerder vermeld (12). Alle chemicaliën en enzymen van de moleculaire biologie kwaliteit werden verkregen uit Q. BIO-gen; BIO BASIC INC, Canada ; USBIOLOGICAL , Verenigde Staten ; Sigma Aldrich , Verenigde Staten en PIERCE , Verenigde Staten . Alle oplossingen werden bereid in gedeïoniseerd (18 MΩ) gedistilleerd ultra puur water (ELGA Purelab ultra-systeem). Stalen werden bereid in gedeïoniseerd water om de rol van tegenion effect in DNA geleiding uit te sluiten. Magnesium en andere biologische anorganische ionen werden niet toegevoegd omdat ze unstuck basen van DNA en RNA (13). Resultaten IV Afmetingen: PCR gesynthetiseerd guanine-rijk (SQ1, SQ2 en SQ3) en λ-DNA-sequenties werden geïmmobiliseerd tussen micro-elektroden. De hoeveelheid DNA tussen de elektroden werd geschat op ~ 1-4 x 10 -1 ng voor SQ1, SQ2 en SQ3 en ~ 4,0 x 10 -2 ng voor λ-DNA. Isotrope elektrische karakteristieke werd waargenomen in elk geval. Daarom is de structuur van het DNA gedacht dat in amorfe toestand dwz willekeurig verdeeld (14). Om ervoor te zorgen dat de waargenomen geleidbaarheid was te wijten aan DNA en niet vanwege een verontreiniging, werden gecontroleerde experimenten uitgevoerd. Elektroden met geïmmobiliseerde DNA werden geïncubeerd gedurende 30 minuten in een oplossing die DNase-I. Dit enzym knipt het bijzonder dubbelstrengs DNA. IV karakterisering van DNase behandeld elektrode vertoont geen stroom. Dit zorgt voor de aanwezigheid van DNA tussen de elektroden. In een ander controle-experiment, elektroden kregen microlaserperforatie behandeling in plaats van DNase, weer het resultaat was hetzelfde. De aard van de kenmerken die regel uit de rol van de tegenionen effecten. Het is niet naar verwachting resulteren in scherpe daling van de geleiding als er een contra-ionen effect (fig. 1D). De meest geaccepteerde factor kan bijdragen aan de geleidbaarheid over de dubbele DNA-helix is te wijten aan mobiele tegenion van het water dunne film. Terwijl mobiele tegenionen mei tot en met de geleidbaarheid dragen bij kamertemperatuur, de stikstof drogen van de monsters voor het uitvoeren van geleidbaarheid meting en de sterke daling van de geleidbaarheid met toenemende lengte van de regels uit voor haar rol van betekenis.     Figuur 1. IV karakteristieken van intrinsieke sequenties van λ-DNA. A-λ-DNA, B-SQ1, C-en D-SQ2 SQ3. Figuur 1 vergelijkt IV kenmerken van λ-DNA, SQ1, SQ2 en SQ3 op -1-1 V. Stroom werd gemeten bij een normale en omgekeerde polariteit (N / R), werden isotrope eigenschappen waargenomen. Spanning veegt werden uitgevoerd, zowel in negatief naar positief richting en de fijne structuur als de algemene vorm van de gegevens wordt gespiegeld rond de nul voorkeur voor maximaal ten opzichte van naar beneden veegt. Gemiddelde van drie metingen voor elk geval is weergegeven in figuur 1 en de evaluatie is in tabel 1 voor SQ1, SQ2 en SQ3. Tabel 1. IV meetomstandigheden en de resultaten voor de SQ1, SQ2 en SQ3. | SQ1
(1910 bp) | -1-1 | 0,6 micrometer | N / R | ~ 0,16 eV | 6.20 x 10 -5 A | 1,61 x 10 4 Ω | SQ2
(2947 bp) | -1-1 | 1,0 micrometer | N / R | ~ 0,22 eV | 3,23 x 10 -8 Een | 3.09x 10 7 Ω | SQ3
(3970 bp) | -1-1 | 1,3 micrometer | N / R | ~ 0,02 eV | 1,37 x 10 -10 A | 7,29 x 10 9 Ω |
Zeer lage stroom in het bereik van pA werd waargenomen voor λ-DNA (Fig. 1A). SQ1 en SQ2 zijn uitgesproken niet-lineair, met een band gap tot ~ en ~ 0,16 0,22 eV, waarna omvangrijke stroom optreedt (figuur 1B & C). Huidige aanbod van 10 microAmpère en 10 nA werd waargenomen voor SQ1 en SQ2, respectievelijk. SQ3 toont bijna gelijk gedrag als in het geval van λ-DNA met een band gap van 0,02 eV en stroom in 10 pA bereik (fig. 1D). Elektronische koppeling Elektronische koppeling energie is een belangrijk ingrediënt voor alle modellen beschrijven van DNA geleidbaarheid. Op dit moment, werd berekend met behulp van single point berekeningen van de neutrale G: C (A: T) ng: C op de B3LYP/6-31G (d, p) geometrie met behulp van semi empirische tussenliggende verwaarlozing van differentiële overlap (INDO) Hamiltoniaan. De afstand (r) tussen de basenparen dat wil zeggen de afstand tussen twee ledige aromatische groepen in de derde dimensie was constant gehouden zoals in het geval van B-DNA is 3,38 Å. Uiteindelijk werden elektronische koppeling energieën voor hole overdracht verkregen uit de energieën van HOMO, HOMO-en-een van de stapel baseparen, verkregen met de INDO Hamiltoniaan op de DFT/B3LYP geoptimaliseerde geometrie (15, 16). Geometrie van bases en basenparen in B-DNA werden gemaakt met behulp van de sjablonen voor nucleïnezuren van de AMBER krachtveld zoals uitgevoerd in HyperChem. De suiker-fosfaat ruggegraat werd verwijderd en waterstof werd toegevoegd bij standaard band lengtes. Basenparen afstand en de hoek tussen de vlakken van twee basenparen werd gehouden 3.38 Å en 36 0, respectievelijk. Discussie Zeer lage stroom in pA range werd waargenomen voor λ-DNA. Dit kan worden toegeschreven aan lage drempel spanning, zoals de aanzienlijke waarde van de huidige werd gemaakt voor SQ1 en SQ2 op -1-1 V. Stroom in het bereik van 10 microAmpère en 10 nA werd aangetoond door SQ1 en SQ2 respectievelijk. Op eerste ogenblik, kan deze observatie te wijten zijn aan de rijkdom van de sequenties guanine omdat de geselecteerde sequenties werden van guanine rijke regio's. Aan de andere kant SQ3 heeft laten zien zeer verschillend aanbod van de huidige ie10 pA. Deze huidige assortiment is zeer dicht bij de huidige range waargenomen voor λ-DNA (Fig.1D). Hoewel, band gap was minder voor SQ3 in vergelijking met SQ1 en SQ2 (tabel 1), was flinke stroom niet waargenomen. Percentage guanine in drie intrinsieke sequenties van λ-DNA is ~ 58% en in de λ-DNA is ~ 49%. GC percentage werd berekend ten opzichte van het perspectief lengte van de gebruikte DNA-sequenties. Eerder werd gesuggereerd (17) dat het inbrengen van een GC stap in de A anders: T brug daadwerkelijk vermindert de efficiëntie van het ladingstransport, die een duidelijk bewijs dat de strikte guanine hopping niet kan lange-afstands DNA-gemedieerd ladingstransport te beschrijven biedt. Het is dus de volgorde lengte en tussenliggende basen tussen het uitvoeren van eenheden vaststellen van de geleidbaarheid in plaats van guanine. Echter, de imperatief rol van guaninebasen niet worden weggelaten. Het is interessant op te merken dat de huidige serie is afgenomen met een factor 10 3 met achtereenvolgens toename van de volgorde lengte. Geleidbaarheid (σ0) geëvalueerd voor SQ1 en SQ2 met een band gap van Δ = 0,16 en Δ = 0,22 eV bleek te zijn 2.4x10 5 en 7.7x10 2 Ω -1 cm -1, respectievelijk. Om vast te stellen de vergelijkende geleidbaarheid op dezelfde band gap tussen SQ1 en SQ2, was geleidbaarheid berekend op Δ = 0,16 eV voor SQ2. Het werd berekend op σ0 = 2.3x10 2 Ω -1 cm -1. Het vertoont geen significant verschil van geleidbaarheid berekend op band gap van Δ = 0,22 eV. De maximale impedantie [max (Imp)] die door DNA-segmenten SQ1, SQ2 en SQ3 waren een factor 4 x10, x10 en x10 7 9, respectievelijk. Geleidbaarheid is niet onderzocht op SQ3 zoals zij heeft aangetoond isolerend gedrag en de hoge weerstand van 10 9 Ω. Met het oog op de frequentie van de ladingsoverdracht afstand vast te stellen in SQ1, SQ2 en SQ3 sequenties, was hun analyse uitgevoerd. Er werd vastgesteld dat het uitvoeren van eenheden (GC: CG) worden geïntensiveerd in door (A: T of T: A) n bases [G: C (A: T) ng: C]. Bovendien werd ook vastgesteld dat 'n' varieert van 1 tot 10 met wisselende frequentie in SQ1, SQ2 en SQ3. Frequentie van n <6 bleek te zijn ten opzichte van de frequentie van n> 6. Intensivering in de neiging van de 'A' of 'T' tussen het uitvoeren van units 'G' was achtereenvolgens verhoogd met een toename in lengte. Om vast te stellen de rol van de tussenliggende basen in DNA geleidbaarheid, werden elektronische koppeling energieën berekend voor verschillende frequentie van de tussenliggende basen tussen het uitvoeren van eenheden (tabel 3). Het laat zien dat elektronische koppeling energie neemt toe met de toename van het aantal A: T paren tussen het uitvoeren van eenheden. Elektronische koppeling daalt fors upto n = 3 en verdere toename van forse daling 'n' is niet waargenomen. Dit resulteert in een zwakke koppeling voor het uitvoeren van twee aangrenzende units waardoor afname van de geleidbaarheid. De studie en discussie over de ladingsdragers en het effect van nucleobase electronic koppeling kan onvoldoende zijn om definitieve conclusies te trekken over de overdracht van lading distance, maar het dient het doel dat de tussenliggende basen tussen het uitvoeren van eenheden significante verandering in de elektronische koppeling energie die is een noodzakelijk ingrediënt oorzaken voor ladingsoverdracht. Tabel 2. Koppeling energieën berekend voor het uitvoeren van eenheden (G) met tussenliggende basen (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 |
Het is ook gemeld dat een verhoging van het aantal (A: T) n (n> 4) niet de lading te verplaatsen blokkeren, in plaats van A: T fungeert als een ladingsdrager (18). Tabel 3 laat ook zien met een toename in 'n' 1-3 elektronische koppeling energie neemt sterk toe en na n = 4 die trend afneemt. Dit resultaat kan verder worden bevestigd door de studies van Saito et al.. (1998), die berekend ionisatie-energie voor G: C is 7,34 eV, want TAGAT is 6,73 eV, want TTGTT is 6,96 eV (19). Hieruit blijkt duidelijk dat aangrenzende bases stabilisatie dus te bevorderen daling van IP voor TAGAT en TTGTT. Dit verklaart middeling van de tussenliggende sequenties die nodig zijn voor de lange afstand geleiding. Het is echter niet noodzakelijk dat elke mogelijke volgorde verschillen zullen leiden tot hetzelfde patroon van de geleidbaarheid. Conclusie In het onderhavige geval, is de geleidbaarheid van intrinsieke guanine rijke sequenties van λ-DNA gevonden dat de lengte afhankelijk is. Het is afgeleid uit de sequenties evaluatie en de elektronische koppeling energieën berekening tussen twee geleidende eenheden die de geleidbaarheid van de onderzochte sequenties werd gewijzigd door de frequentie van tussenliggende basen. Aantal tussenliggende basen tussen twee geleidende unit niet constant is of vast. Variabiliteit van de tussenliggende bases bleek te stijgen met de toename van de DNA-sequentie lengte. DNA geleidbaarheid is niet volledig beheerst door guaninebasen, maar ook aangevuld met 'AT' bases. Middeling van de tussenliggende sequenties noodzakelijk is voor lange afstand ladingsoverdracht. Deze resultaten kunnen geven inzicht in het elektrische gedrag van guanine rijke sequenties met verschillende tussenliggende basen. Het kan ook nuttig zijn bij het wijzigen van de geleidbaarheid van DNA nanodraad. Erkenning Dit werk werd ondersteund door afdeling Biotechnologie (DBT) en ministerie van Wetenschap en Technologie (DST). De auteurs zijn dankbaar aan Dr Prakash uit GETECH Hyderabad, India voor de micro-elektrode-array fabricage. We zijn ook dankbaar aan de heer AK Shukla en Dr Amit Sharma voor hun waardevolle aanwijzingen en suggesties. Een van ons auteurs (Ram Ajore) dankzij Raad voor Wetenschappelijk en Industrieel Onderzoek (CSIR), Delhi voor het verstrekken van gemeenschap |
1. Bhalla V., Bajpai RP en Bharadwaj LM, "DNA elektronica", EMBO rapporten, 4, 1-4, 2003. 2. O'Neill P. en Fielden EM, "Primary vrije radicalen processen in DNA", Adv Radiat Biol, 17, 53, 1993. 3. Warman JM, de Hass MP en Rupprecht A., "DNA: een moleculaire draad", Chemische Physical Letters, 294, 319-322, 1996. 4. Joachim C., Gimzewski JK en Aviram A., "Electronics met behulp van hybride-moleculaire en mono-moleculaire apparaten" Nature, 408, 541-548, 2000. 5. Tsjetsjeen AY, Kodak M., Gueron S., Reulet B., Volkov VT, Klinov DV en Bouchia H., "Proximity-geïnduceerde supergeleiding in DNA ', Science, 291, 280, 2001. 6. Storm AJ, Noort JV, Vries SD en Dekker C., "Isolerende gedrag van DNA-moleculen tussen nanoelectrodes bij de 100 nm lengte-schaal", Applied Physics Letters, 79, 3881 tot 3,883, 2001. 7. Kelley SO en Barton JK, "Electron overdracht tussen bases in dubbele helix 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. en H. Choi-Y, "Elektrische geleiding door poly (dA)-poly (dT) en poly (DG) - (DC) DNA-moleculen".., Phys. Rev Lett, 87, 198102-05, 2001. 9. Porath D., Bezryadin A., De Vries S. en C. Dekker, 'directe meting van de elektrische transport door middel van DNA-moleculen', Nature, 403, 635-638, 2000. 10. Bharadwaj LM, Kaur I. , Kumar R. en Bajpai RP, "Design simulatie van DNA-gebaseerde elektronische componenten", Proc. van SPIE, 4937, 226-230, 2002. 11. Kumar S., R. Kumar, Shukla AK en Bharadwaj LM, "Micro-elektroden vervaardigen met behulp van laser schaar", Materialen Letters, 61, 3,829 tot 3,832, 2007. 12. Ajore R., R. Kumar, Kaur I., Sobti RC en Bharadwaj LM, "DNA immobilisatie chemische storing te wijten aan aggregaten studie van dip-and-drop aanpak", Journal of biochemische en biofysische methoden, 70, 779-785, 2007. 13. McFail-Isom L., Shui L. en Williams L D., "Tweewaardige kationen stabiliseren unstuck conformatie van DNA en RNA door interactie met base π-systeem", Biochemie, 37, 17.105 tot 17.111, 1998. 14. Otsuka Y., Lee H.-Y., Gu J.-H., Lee J.-O., Yoo K.-H., Tanaka H., Tabata H. en T. Kawai, "Invloed van vocht op de elektrische geleidbaarheid van gesynthetiseerd DNA film op nanogap elektrode ", JPN. J. Appl. Phys, 41, 891-894, 2002. 15. Lu S.-Z., Li X.-Y. en Liu J.-F., 'Molecular Orbital analyse in de evaluatie van Electron-Transfer Matrix Element door de theorie van Koopmans' ", J. Phys. Chem A, 108, 4125, 2004. 16. Li X.-Y., Tang X.-S. en Hij F.-C., "Electron overdracht in poly (p-fenyleen) oligomeren: effect van externe elektrische veld en de toepassing van Koopmans stelling ", Chem. Phys, 248, 137, 1999. 17. Williams TT, Odom DT en Barton JK, 'Variatie in DNA ladingstransport met nucleotide samenstelling en volgorde ", JACS, 122, 9048, 2000. 18. Giese B. en Spitchy M., "Lange afstanden ladingstransport door middel van DNA: kwantificering en uitbreiding van de hopping model "., Chem. Phys. Chem, 1195, 2000. 19. Saito I., Nakamura T., Nakatani K., Yoshioka Y., Yamaguchi K. en Sugiyama H., "in kaart brengen van de Hot Spots van DNA-beschadiging door een-elektron oxidatie: Werkzaamheid van GG doubletten en tripletten GGG als een Trap in lange afstand hole migratie ", JACS, 120, 12686 tot 12.687, 1998. |