Ученым из Колумбийского университета и Калифорнийского технологического института впервые удалось надежно измерить электропроводность молекулы ДНК. Эксперименты объяснили многолетние неудачи коллег и выявили серьезные проблемы, с которыми могут столкнуться конструкторы молекулярных вычислительных устройств, основанных на ДНК.

С тех пор как более полувека назад удалось определить структуру и функции двойной спирали ДНК, много усилий было затрачено на изучение электронных свойств этой жизненно важной кислоты. Но все попытки как-то измерить хотя бы электрическую проводимость гигантской молекулы до сих пор давали только противоречивые, плохо согласующиеся результаты. Молекула вела себя то как хорошо проводящий металл, то как изолятор, а порой и как полупроводник. При низких температурах ДНК иногда демонстрировала даже сверхпроводящие свойства.

С одной стороны, способность молекул ДНК быть и проводником, и изолятором давала надежду, что на их основе можно будет создавать мощные и миниатюрные молекулярные компьютеры, которые, не исключено, смогут самостоятельно собираться и хотя бы частично воспроизводиться. Но результаты экспериментов долго не находили объяснений.

В новых опытах для измерения электропроводности ДНК ученые использовали хорошо проводящую углеродную нанотрубку с толщиной стенок в один атом и диаметром, сопоставимым с диаметром самой спирали ДНК. Нанотрубку присоединили к электродам и из ее середины с помощью плазмо-ионного травления удалили кусок длиной 6 нм. Во время этой процедуры концы нанотрубки окислились, что позволило прочно соединить их со вставленной в зазор молекулой ДНК. После этого электропроводность ДНК померили, подав 50 мВ на электроды и измеряя текущий по цепи ток. Измерения можно было производить при нормальных условиях, в подходящих растворах и используя энзимы для контроля над ДНК.

Оказалось, что электропроводность ДНК примерно такая же, как у графита, что хорошо согласуется с ее структурой. Но если из большой молекулы ДНК удалить всего один нуклеотид, то ее сопротивление сразу возрастет в триста раз! Такая чувствительность и плохой контакт с обычными электродами легко объясняют, почему все предыдущие эксперименты потерпели фиаско.

Сильная чувствительность электронных свойств молекулы ДНК к малейшим изменениям формы делает проблематичным ее использование в молекулярных электронных схемах. Во всяком случае, в них придется придумать какой-то механизм для восстановления повреждений молекул. В живых клетках накопление таких повреждений ведет к различным проблемам вроде мутаций и возникновению рака. И эволюция уже предусмотрела некий механизм, позволяющий залечивать многие изменения в ДНК. Однако как именно живая клетка находит и восстанавливает многие повреждения своей наследственной информации, пока остается загадкой. К поиску ответа на этот важный вопрос теперь приступили ученые, вооружившиеся новой экспериментальной методикой.