Elektronika DNA - DMFA · c c a t c g c t a a a g cg t g g g t a g c gc a c c g a t t t g c u a a c...
Transcript of Elektronika DNA - DMFA · c c a t c g c t a a a g cg t g g g t a g c gc a c c g a t t t g c u a a c...
ElektronikaElektronika DNDNAAAleAlešš OmerzuOmerzu
Odsek za kompleksne snoviOdsek za kompleksne snovi
Institut Institut JozefJozef Stefan, LjubljanaStefan, Ljubljana
EE--mail: ales.omerzumail: ales.omerzu@@ijs.siijs.si
SLOVENSKO BIOKEMIJSKO DRUŠTVO SBD- TERMINOLOŠKA KOMISIJA
http://bio.ijs.si/SBD/terminologija.html
DNA (deoksiribonukleinska kislina)
DNK (uporabljamo samo v poljudnih besedilih,
ne v strokovnih prispevkih ali učbenikih)
DNK ali DNA ?
C C A T C G C T A A A G CG T GG G T A G C GC A C
C G A T TT
G C U A A
C G AU C G
C C A T C G C T A A A G CG G T A G C G A T T T C G
A A G C G T
G G A A A A G
A T T C G C A C C T T T T
G C A C C T T T T
C G T G G A A A A
C C A U C GC U A A A G CU G G A A A A G CC G A
C C U
CCA
CCA
SerLeu
LysArg
Gly
Biološka vloga DNA
Genetska koda - AATGCCAGGCTTGCGAT
TranskripcijaReplikacija
DNA
mRNA
tRNA
Polipeptidna veriga aminokislina
Zakaj DNA elektronika?
• Omejitve konvencionalne (silicijeve) tehnologije
• Zamenjava “top-down” pristopa z “bottom up” pristopompri gradnji elektronskih sklopov (tranzistorjev, čipov) →→ molekularna elektronika
• Izkoriščanje biotehnologije, ki jo je razvila narava v milijardah let
Omejitve Si tehnologijeMoorov zakon: “Število tranzistorjev na kvadratni centimeter se podvoji na vsakih 12 -18 mesecev”
“top-down” pristop: ves bolj fino jetkanje elektronskih komponent na silicijevi ploščici → 100 nm
40 milionov tranzistorjev na enem čipu ( ~ 1 cm2)
Fizikalne omejitve: tanjšanje izolatorske plasti →→ prepuščanje el. tokov (kratki stiki)
Cenovne omejitve
Ogljikove in anorganske nanožice
model
STM slika z atomsko resolucijo
TEM slika sintetiziranega material
Prednosti DNA
• Sposobnost samourejanja (“Self Assembly”) – rekombinacija
• Razviti kemijski postopki (biotehnologija)
• Izbira poljubne sekvence pri sintetski DNA
• Monodisperznost (čistost) materiala
• Nizka cena
DNA vezjaDNA vezja
Sestavljanje komplementarnih verig DNA
DNA mreDNA mrežžee
Struktura DNA
• Primarna – zaporedje baz ...ATGACGTAGGAC...
• Sekundarna – dvojna vijačnica
• Tercijarna – 3D superstrukture DNA
Molekule Molekule -- gradniki DNA in RNAgradniki DNA in RNA (I)(I)
BaBazezeDNA and RNADNA and RNA
AdeninAdenin (A)(A)CCiitosintosin (C)(C)GGvvaninanin (G)(G)
Samo Samo DNADNATTiimin (T)min (T)
Samo Samo RNARNAUracil (U)Uracil (U)
Uracil
TiminGvanin
Adenin Citosin
MolekuleMolekule –– gradnikigradniki DNA in RNADNA in RNA (II)(II)SladkornoSladkorno--fosfatnifosfatni skeletskelet
DNA DNA –– sladkorsladkor: : deoksiribozadeoksiriboza ((pentozapentoza))RNA RNA –– sladkorsladkor: : ribozariboza ((pentozapentoza))FosfatnaFosfatna skupinaskupina
BazaBaza + + SladkorSladkor + + FosfatFosfat = = NuleotidNuleotid
Deoksiriboza + Trifosfatna skupina Riboza + Trifosfatna skupina
BAZA BAZA
1’
2’3’
5’1’
2’3’
5’
VerigiVerigi DNA in RNADNA in RNA
NukleotidNukleotid + + NukleotidNukleotid (n)(n)
= = verigaveriga DNA (DNA (aliali RNA)RNA)
DeoksiribonukleotidiDeoksiribonukleotidi = DNA= DNA
RibonukleotidiRibonukleotidi = RNA= RNA
3'
5'
Baza
Baza
Baza
1'
3'
5'
5'
5'
3'
3'
DNA DNA jeje dvoveridvoverižžnana
Vodikove vezi tvorijo lestvico Vodikove vezi tvorijo lestvico DNADNA
A A vedno v paru svedno v paru s TTC C vedno v paru zvedno v paru z GG
Sekvenca ene verige doloSekvenca ene verige določča a sekvenco druge verigesekvenco druge verige
345
214
51
6
32
87
96
Timin
Dve vodikovevezi
Adenin
93
45
24
5
1
6
32
7
61
8Citozin
Gvanin
Tri vodikovevezi
C C A T C G C T A A A G CG T GG G T A G C GC A C
C G A T TT
G C U A A
C G AU C G
C C A T C G C T A A A G CG G T A G C G A T T T C G
A A G C G T
G G A A A A G
A T T C G C A C C T T T T
G C A C C T T T T
C G T G G A A A A
C C A U C GC U A A A G CU G G A A A A G CC G A
C C U
CCA
CCA
SerLeu
LysArg
Gly
Biološka vloga DNA
Genetska koda - AATGCCAGGCTTGCGAT
TranskripcijaReplikacija
DNA
mRNA
tRNA
Polipeptidna veriga aminokislina
Dvojna vijaDvojna vijaččnica DNAnica DNADna lestvica se spiralno zavije v Dna lestvica se spiralno zavije v dvojno vijadvojno vijaččniconico
10 10 baznih parov na zavojbaznih parov na zavoj
Razdalja med baznimi pari je Razdalja med baznimi pari je 3.4 angstermov3.4 angstermov
ŠŠirina dvojne vijairina dvojne vijaččnice jenice je 24 24 aangstrngstremovemov
BAZNI PARI
GVANIN CITOZIN
ADENIN TIMIN
NUKLEOTID
FOSFATNO-SLADKORNISKELET
FOSFATNO-SLADKORNISKELET
DNK je nabita(2e- na 3.4 Å)
Tercijarna struktura DNK
DNK
ProteinDve zanki
Perzistenčna dolžina: 150 - 200 baznih parov ( ∼ 50 nm)
Celotna dolžina DNK v človeški celici: 2 m
Premer celičnega jedra: 10-7 m
Različne konformacije DNA
B–DNA (v raztopinah) A–DNA (v suhem)
Eksperimentalno določanje prevodniških lastnosti DNA
• DC prevodnost (kontakti)
• Optična prevodnost (brez kontaktov)
• Fotokemijske metode
DC prevodnost
2∆
Kovina
Polprevodnik/Izolator
I
V
V
I
1 10 100 1000 10000 100000
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 PolprevodnikKovina
Pr
evod
nost
Frekvenca
Optična prevodnost
Optična prevodnost (eksperiment)
DETEKTORIZVOR
VZOREC
DETEKTORMerimo:
B) Frekvenčno in temperaturnoodvisnost prevodnosti
A )Transmisijo in refleksijo EM valovanja
2∆
σ(T) ~ 1/T ~ exp (-∆/T)
σ(ω) ~ const.Kristal
σ(T) ~ exp[-(T0/T)β]
σ(ω) ~ ωα
Neurejen sistem
ACCEPTOR
DONOR K~exp(-βr)
β ∼ 1 ⇒Tuneliranje
β ∼ 0.1 ⇒ Termalno aktivirano preskakovanje
Prenos naboja v DNA
D. D. Eley, D. I. Spivey: Semiconductivity of Organic Substances, part 9.- Nucleic Acid in the Dry State, Trans. Faraday Soc. 58, 411 (1962)
• Temperturna odvisnost prevodnosti kaže na energijsko režo od2.4 eV
• Ideja o prevodnih prekrivajočih orbitalah π
• Nerazvitost tehnologije tistega časa (AFM, STM, litografija)
Prve meritve DC prevodnosti v 1960-ih
Prekrivanje Prekrivanje ππ--orbital orbital -- prevodnostprevodnost??
(TMTSF)2-PF6
3.4 Å
H-W. Fink, Ch. Schonenberger, Nature 398, 407 (1999)
D. Porath, A. Bezryadin, S. De Vries, C. Dekker,Nature 403, 635 (2000)
Conclusion: ρ < 105 Ω-cm/molecule
“Electron bombardment causes dramatic changes in conductivity”
2 4 6 8 10 12 1410-4
10-3
10-2
10-1
σ = B*exp[-(T0/T)β]
1000/T
σ 1 ((Ω
cm
)-1)
12 GHz 150 GHz 500 GHz
Optična prevodnost –temperaturna odvisnost
1 10 1000.01
0.1
1
σ = A(T) ωα
α = 1
α = 1/2
suha DNK vlazna DNK
σ 1 ((Ω
cm)-1
)
Frekvenca (cm-1)
Optična prevodnost – frekvenčna odvisnost
100 101 102 104
10-3
10-2
10-1
100
101
102
103
104
105
σ 1 ((Ω
cm
)-1)
Frekvenca (cm-1)
Optična prevodnost – frekvenčna odvisnost
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
0
1
2
3
4
260 nm
Abs
λ (nm)
UV absorbcija DNA
A = ε l c
A260 = 1 ⇔ c = 50 µg/ml
1 2 3 4 5 60
1
2
3
Abso
rbci
ja
E(eV)
Optična absorbcija DNA –energijska skala
1 2 3 4 5 6 7
0.0
0.2
0.4
0.6
1 2 3 4 5 6 7
0.0
0.1
0.2
1 2 3 4 5 6 7
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
1 2 3 4 5 6 7
0.0
0.2
0.4
0.6
Citozin
Abs
Timin
Adenin
E (eV)
Gvanin
Abs
E (eV)
UV absorbcija baz DNA
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
TiminCitosin
Adenin
TiminCitosin
Adenin
Gvanin
Gvanin
E (O
x/R
ed) (
eV)
Optični prehodi v DNA
LUMO
HOMO
∼ 4.5 eV
Prevodnik
Polprevodnik
p-tip
n-tip
p n
p n
I
V
Polprevodniška DNA
Nature 391, 775-778 (19 February 1998) DNA-templated assembly and electrode attachment
of a conducting silver wireErez Braun1, Yoav Eichen, Uri Sivanand Gdalyahu
Ben-Yoseph
S DNA SAu AuCn Cn
Zaključek
• Prevodniške lastnosti DNA: prevodnik, polprevodnik, izolator ?
• Dopiranje DNA s kovinami, organ(okovin)skimi molekulami
• Kontakti!
Literatura
• V. Bhalla, R. P. Bajpai, L. M., Bharadwaj: DNA Electronics, EMBO Reports 4, 442 (2003)
• C. Dekker, M. Ratner: Electronic Properties of DNA,Physics World, Aug 2001