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