南大特聘教授陶农建Nature子刊新成果

近期，来自杜克大学和亚利桑那州立大学的一组研究人员，展现了特定DNA序列如何可以把这些螺旋状分子，变成电子“高速公路”，从而允许电流更容易经过链。这项研究发表在6月20日的《Nature Chemistry》杂志。

　　

生物通报道：DNA分子不只是我们的遗传指令代码。它们还可以导电，并自组装成定义明确的形状，从而使它们成为构建低成本纳米电子设备的潜在候选者。

近期，来自杜克大学和亚利桑那州立大学的一组研究人员，展现了特定DNA序列如何可以把这些螺旋状分子，变成电子“高速公路”，从而允许电流更容易经过链。

这些结果可能为设计更稳定、高效和可调节的DNA纳米设备，以及了解DNA导电性如何可以并用来识别基因损伤，提供了一个框架。这项研究发表在6月20日的《Nature Chemistry》杂志。

本文共同作者、杜克大学的化学教授David N. Beratan称，科学家们对于“电子究竟如何沿着DNA链移动”一直无法达成一致。他们认为，在较远的距离上，电子沿着DNA链移动，就像粒子一样，从一个分子碱基或“单位”“跳到”另一个。在较短的距离上，电子使用它们的波动特性，同时被多个碱基共享。

但是最近，由本文共同作者、亚利桑那州立大学电子工程学教授陶农建（Nongjian）带领的实验提供线索表明，这种波浪式的动行为可扩展到更远的距离。

本文第一作者、杜克大学研究生Chaoren Liu表示，这个结果是有趣的，因为以波的形式传播的电子，本质上正在进入“快车道”， 效率比它们跳跃时还要高。

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刘教授说：“在我们这项研究中，我们首先要确认，这种波浪式的行为实际上存在于这些长度。其次，我们想了解其中的机制，这样我们就可以让这个波浪式的行为更强，或将其扩展至更远的距离。”

DNA链被构建成链条的形状，每条链包含四分之一的分子碱基，它们的序列编码我们细胞的遗传指令。使用计算机模拟，Beratan的研究小组发现，操纵这些相同的序列，可以调整碱基之间的电子共享程度，从而导致波浪式的行为可以经过更长或更短的距离。特别是，他们发现，在两条DNA链上的五个鸟嘌呤(G)碱基的交替模块，可为为远程波浪式的电子运动提供最好的构造。

该研究团队推理，制备这些块G碱基模块，可使它们 “锁”在一起，这样，电子的波浪式行为，就不太可能被DNA链中的随机摆动而中断。

刘教授说：“我们认为，碱基被有效地联系在一起，这样它们都作为一个整体移动。这有助于电子在模块内的共享。”

陶农建教授带领的研究小组，使用break junction实验证实了这些理论预测，将来自交替模块的短链DNA链，连接到两个金电极之间的八个鸟嘌呤碱基上，并测量流经分子的电荷量。

Beratan说，这些结果阐明了关于“DNA中电子传送的确切性质”的长期争议。它们也可能对“可调DNA纳电子学的设计，以及DNA电子传送在生物系统中的作用”提供深刻的见解。

Beratan说：“这个理论框架告诉我们，确切的DNA序列有助于决定电子是否可能像粒子那样传送，以及它们何时可能像波浪那样传送。你可以说，我们正在设计电子的波状个性。”

去年10月，陶农建教授带领的研究小组，在《Science Advances》杂志发表文章，描述了一种新方法，用于研究小分子及其与膜蛋白之间的交流。这项研究将使科学家和临床医生能够以前所未有的精度、在非常小的尺度上，研究这些相互作用。相关阅读：南大特聘教授：彻底改变药物设计的技术。

（生物通：王英）

注：陶农建，亚利桑那州立大学电子工程系终身正教授，同时任化学和生物化学系兼职教授。2008年起担任该校生物电子学与生物传感器中心主任。2010年当选为美国物理学会会士及美国科学促进会会士。2012年起担任南京大学特聘教授。近年来他的研究小组在单分子电子学、化学和生物传感器方面做出了一系列原创性工作，并在Science, PNAS, Nature Nanotechnology及Nature Chemistry等国际学术期刊上发表了近200篇学术文章和书籍章节。

生物通推荐原文：
Engineering nanometer-scale coherence in soft matter. Chaoren Liu, Yuqi Zhang, Peng Zhang, David N. Beratan, Limin Xiang, Yueqi Li, Nongjian Tao. Nature Chemistry (June 20, 2016).