La struttura elettronica del DNA

Alcuni ricercatori del CNR sono riusciti a decifrare la struttura elettronica del DNA, ovvero a stabilire come si distribuiscono gli elettroni negli orbitali molecolari della complessa struttura a doppia elica. La ricerca, diretta da Rosa di Felice del Centro S3 (Modena) dell’Istituto di Nanoscienze del CNR e da Danny Porath della Hebrew University di Gerusalemme, in collaborazione con le Università di Regensburg, CINECA di Bologna e Università di Tel Aviv, ha impiegato la tecnica della spettroscopia a effetto tunnel in congiunzione con simulazioni quantistiche. Le notevoli difficoltà tecniche che in passato avevano ostacolato il conseguimento di questo risultato sono state oltrepassate tramite una ricerca multi-disciplinare con l’utilizzo di materiali e metodi resi possibili dai recenti progressi in biochimica, fisica e tecnologia. È stata utilizzata una sequenza semplice e uniforme, poly(dG)-poly(dC) costituita di sole guanina e citosina. Le molecole sono state prodotte a Tel Aviv in soluzione tramite una tecnica enzimatica recentemente messa a punto. Questi frammenti di DNA sintetico sono stati depositati su una superficie di oro e poi congelati a temperature molto basse (-195°C circa) a Gerusalemme. La spettroscopia elettronica a scansione per effetto tunnel ha poi permesso di misurare le deboli correnti elettriche attraverso la singola mole-cola di DNA per mezzo di una punta metallica della dimensione di pochi atomi portata estremamente vicino alla molecola di DNA. Misurare a bassissime temperature una sequenza uniforme è cruciale per limitare le distorsioni dovute a impurità e rumori di fondo. Le simulazioni al calcolatore hanno infine rivelato quali porzioni della struttura a doppia elica contribuiscono a far muovere gli elettroni attraverso la molecola e sono pertanto responsabili delle correnti misurate. Le proprietà elettroniche del DNA sono importanti per campi che vanno dalla biochimica alla nanotecnologia. Ad esempio, quando si verificano danni al DNA da radiazione ultravioletta, che possono produrre radicali liberi e mutazioni genetiche, la riparazione del DNA avviene attraverso il trasferimento lungo la doppia elica di cariche elettriche, che ripristinano un legame molecolare alterato. Nel campo della nano-bioelettronica, il settore di ricerca avanzato che studia molecole biologiche per costruire circuiti elettronici, si studia il DNA come un possibile filo conduttore di dimensioni molecolari, per realizzare bio-chip più piccoli ed efficienti dell'attuale elettronica su silicio.

Autori: E. Shapir, A. Calzolari, C. Cavazzoni, D. Ryndyk, G. Cuniberti, A. B. Kotlyar, R. di Felice, D. Porath

Titolo: Electronic Structure of Single DNA Molecules Resolved by Scanning Tunneling Spectroscopy

Rivista: Nature Materials

Anno: 2008

Riferimenti bibliografici: 7 (2008), pp. 68-74