DNA-põhine nanobioelektroonika

Nanobioelektroonika on kiiresti arenev interdistsiplinaarne valdkond, kus kombineeritakse nanomaterjalid bioloogia ja elektroonikaga ning mis pakub võimalusi bioelektroonika arengus ette tulevatele väljakutsetele vastamiseks. DNA on paljulubav materjal kasutamiseks nanoskaalas konstruktsioonides tänu oma väga heale isekoostumise võimele, väiksele suurusele ja sobivatele mehaanilistele omadustele. Väga spetsiifiline ning ennustatav Watson-Cricki üheahelalise DNA (single stranded DNA ehk ssDNA) aluspaardumine on kasutatav soovitavate kaheahelaliste DNA (double-stranded DNA ehk dsDNA) motiivide programmeerimiseks, mida on seejärel võimalik edasi kasutada suuremate ja komplekssemate struktuuride koostamisel. Neid DNA struktuure on võimalik kasutada ka vormina teiste objektide jaoks. Samuti on sel viisil valmistatavad niinimetatud DNA origamid, mis on kahe- või kolmedimensiooniliselt kokkupakitult organiseerunud DNA vormid. Pidev fotolitograafiliseprotsessi viimistlemine on võimaldanud areneda elektroonilistel seadmetel nende keerukuse ja ka dimensioonide vähenemise mõttes väga kaugele. Edasiste sammude rakendamine on aga üha kulukam ja piiratum, mistõttu on nii akadeemiline kui tööstuslik huvi alt-üles (bottom-up) koostatava funktsionaalse elektroonika arendamiseks. DNA pakub mitmeid olulisi omadusi selle kontseptsiooni tarbeks. Tavapärased räniseadmed valmistatakse ülalt-alla (top-down) lähenemisel litografeeritud skeemide järjest peenema töötlemise tehnoloogiaga, samas kui suhteliselt uute alt-üles tootmismeetodite arendamine muutub nüüd järjest vajalikumaks. DNA on oluline biopolümeer, mis kannab geneetilist informatsiooni, kuid on samuti väga huvipakkuv funktsionaalse nanosuuruses materjalina tänu oma iseäralikele omadustele, mida teistes polümeerides ei leidu. DNA omab komplementaarsuse, ehk isekoostumise võimet, mis lubab vesiniksidemete aluspaardumist adeniini ja tümiini (A - T) ning guaniini ja tsütosiini (G - C) vahel, kus aluspaaride reastuvad ühedimensiooniliselt 0,34–0,36 nm intervallidega. Nüüdisajal on tänu sellele isekoostumise omadusele võimalik DNA-d integreerida veavabalt ilma mikrofabrikatsiooni tehnoloogiateta. Intervalle on võimalik kasutada vormina, et reastada molekule ja klastreid nanoskaalas ilma peentöötluseta. DNA on ühedimensiooniline elektrijuht ja kasutatav niinimetatud molekulaartraatides. Elektrooniliste seadmete ehitamine üksikutest molekulidest on aktiivsete elektrooniliste komponentide ülim miniaturisatsioon. Sellised molekulaarskaalal seadmed tõstaksid elektroonikaskeemidel detailide pindtihedust tuhandeid kordi võrreldes tänapäevaste ränipõhiste tehnoloogiatega, pakkudes lisaks suuremaid vabadusi ja paindlikkust selliste funktsioonide ärakasutamisel ja kaasneval seadmete disainil, mis tavapäraste pooljuhtidega pole võimalik. DNA molekulide kui seadmete aluste sisemised kattuvad elektronorbitaalid koos võimalikkusega programmeerida järjestuse ja pikkuse järgi praktiliselt lõpmatult suurt arvu variatsioone muudab DNA heaks ühedimensiooniliseks süsteemiks. Üheks kõige kasulikumaks meetodiks osakeste juhtimiseks ning lõksustamiseks on dielektroforees (DEP), mis võimaldab suuremat dünaamikat ning kontrolli lõksustamisel võrreldes keemiliste või litograafiliste meetoditega. DEP tähendab polariseeritava osakese translatsioonilist liikumist mittehomogeenses elektriväljas. Seda on kasutatud mittedestruktiivseks manipulatsiooniks, et lõksustada rakke, viirusi, valke, tahkeid materjaliterasid ja ka molekulaarelektroonika komponente nagu nanotorud, nanoosakesed ja kvantpunktid. DNA puhul on võimalik lõksustada ka lühikesi lõike, kuna DNA on ümbritsetud lahuses kergelt polariseeritava vastupidiste laengutega ioonide pilvega. Sama meetod on kasutatav ka DNA-põhistel struktuuridel – on näidatud, et üksikud DNA origamid on lõksustatavad ränikiipidele kontrollitaval viisil. Sarnaselt on võimalik DNA-ahelaid spetsiifiliselt kinnitada valitud elektroodidele, mis võimaldab komplekssete kaabelduse ja sildamisega skeeme kasutada DNA võrgustikes ja seeläbi keerulisemate DNA-põhiste vormide kinnitamist ja orienteerimist kiipidele. Suure niiskuse korral näitab DNA ioonjuhtivale materjalile iseloomulikke omadusi. Väikese niiskuse või vaakumi korral on aga elektronjuhtivus põhiline faktor elektrontranspordi omaduste määramiseks. Uuringud on näidanud väga erinevaid tulemusi DNA juhtivuse osas, sealhulgas kuulutades selle nii dielektrikuks, pooljuhiks kui ka ülijuhiks sõltuvalt lähenemisest. Erinevused tulenevad erinevatest mõõtmistingimustest ja meetoditest. Üldine arvamus on, et lühike DNA molekul on ühedimensiooniline juht ning on sobiv kasutamiseks molekulaartraatides, kuna piirorbitaalid on π-elektronid molekulaartasandiga ristuvate orbitaalidega. Juhtimist mõjutab suuresti keskkond, eelkõige niiskus, millel on mõju nii konformatsioonile kui ka juhtivusele endale, adsorbeeruvad veemolekulid ümber dsDNA käituvad laengukandjatena. Elektrontransport sõltub lisaks keskkonnast ka alusjärjestusest, vastasiooni tüübist (puhvrist) ja proovi kujust. Kuna DNA elektriline juhtivus on kontrollitav dopeerimise abil, võib dopeeritud DNA-d pidada pooljuhtivaks molekulaartraadiks. Juhtivuse kontrollimine on keeruline, kuna elektronolekud sõltuvad alusjärjestusest ja struktuurist. Teistpidi vaadates võimaldab see kontrolli mitte ainult läbi dopeerimise, vaid ka muude parameetrite, lubades ehitada sensorseadmeid, mis töötavad teistsugustel printsiipidel võrreldes tavaliste pooljuhtidega. DNA on nanoskaalas elektroonikamaterjal mis töötab elektronide juhina siis, kui see on kasutusel vaakumis ning ioonjuhina kui seda kasutatakse atmosfääris. Modifitseerimata dsDNA ei juhi elektrit piisavalt hästi elektroonikas kasutamiseks. Üks viis saavutada soovitavat juhtivust on DNA-põhiste nanotraatide valmistamine. DNA kaheahelaline struktuur oma 0,35 nm kaugustega aluspaaride vahel on ideaalse kuju ja suurusega 2 nm läbimõõduga traadi jaoks. Keemiline funktsionaalsus võimaldab mitmeid viise DNA „dopeerimiseks“. Modifitseerides ssDNA-d lisades sinna tioolgrupp, saab siduda ahelale nanoosakesi. DNA-le saab siduda sellisel viisil ka valke, mis loovad edasisi sidemeid metallnanosakestega. Niiviisi saab lasta isekoostuval viisil koonduda osakestel, eeldusel, et need on enne seotud DNA külge, mille aluste järjestus on sobivalt programmeeritud. Edasi: kui valgud on seotud DNA-ga, millel on sobivalt programmeeritud alusjärjestus, siis need omakorda võivad joonduda isekoostuval viisil ning moodustunud süsteeme on seejärel võimalik kasutada vormina nanoosakeste järjestamiseks. Kõige rohkem on uuritud nanotraatide tootmist kasutades tavalise dsDNA vorme. See on kaheastmeline lähenemine, mis kasutab metal-ioon sidumise omadusi ning sisaldab huvipakkuva iooniga dopeerimist ning seejärel reduktsiooni nullvalentseks metalliks. See lähenemine võimaldab nanotraatide valmistamist 5-10 nm vahemikus laiast metallide valikust, näiteks hõbedast, plaatinast, pallaadiumist, vasest, niklist ja koobaltist. Reduktsioon metallisooladega – algne dopeerimine sisaldab kas DNA segamist sobivate metallikatioonidega lahuses või DNA kinnitamist substraadile enne metalliooni lahuse lisamist. Sideme tekkimine on seotud koordinatsiooniga doonorsaitidel alushapetel ning fosfaatgruppidel. Metallstruktuuri tekkmine leiab aset reduktsiooni ajal, mil tekivad metalliklastrid ning nanoosakesed piki DNA vormi. Heterometallosakestega külvamine – kristallisatsiooni ja kasvu mehhanism, kus DNA metallisatsioon leiab aset dopeerimise ja reduktsiooniga. Selle meetodi korral metalli nanoosakesed DNA topeltheeliksil katalüseerivad edasist metalli sadenemist. Pihustamine – kasutades pihustamismeetodeid üle terve substraadi, saab realiseerida DNA metallisatsiooni, mille abil on võimalik saada homogeenseid 5–15 nm pikkusi nanotraate vältides tavapäraseid ebaregulaarseid ning granulaarseid morfoloogiaid. Juhtivad polümeerid nagu polüaniliin, polüpürrool ja polüindool võimaldavad samuti DNA- põhiste juhtivate nanotraatide valmistamist. Nende molekulaarsed omadused võimaldavad elektriliste omaduste häälestamist ning funktsionaliseerimist. Selliste vormide tegemine põhineb mittekovalentsetel interaktsioonidel metall-ligand sidestumise asemel. Saadav supramolekulaarne polümeer, milles on anioonne DNA ja katioonne sünteetiline juhtiv polümeer, erineb metallipõhistest süsteemidest ning pakub uusi arhitektuure ja rakendusi. Selle näiteks on DNA-polüpürrool neuraalvõrgustikud. Kasulikkus molekulaarsete juhtivate polümeeride nanotraatide süsteemide puhul avaldub võimaluses lisada uusi funktsionaalgruppe üksikute monomeeride derivatiseerimise teel. Lisaks DNA kasutamisele vormina juhtivate materjalide kasvu kontrollimiseks on DNA-d ennast võimalik modifitseerida funktsionaalrühmadega sarnaselt selliste biomeditsiiniliste rakendustega nagu geenijärjestamine. Aldehüüdiga funktsionaliseeritud DNA – glutaraalaldehüüdi või selle analoogidega reageerimisel saab DNA-le lisada aldehüüdrühmi, mille järel on võimalik näiteks inkubeerimine hõbeda ioonidega klastrite loomiseks piki DNA-d. Moodustunud struktuurialust saab edasi kasutada kulla sadestamise katalüseerimiseks granulaarse traadi loomiseks. DNA alusvõrena molekulaarsetele juhtidele – kasutades DNA-d võrena vormi asemel, on võimalik täpne molekulaarne süntees ja DNA kui juhtiva polümeeri stöhhiomeetria ärakasutamine. Selleks viiakse läbi alushapete kovalentne modifitseerimine juhtiva polümeeri monomeerprekursoritega. Huvi pakub see meetod DNA isekoostuvate omaduste säilimise tõttu, mis omakorda võimaldaks isekoostuvate kahe ja kolmedimensiooniliste konstruktsioonide tekitamist kasutades juhtivat materjali. Kasutades DNA-d vormidena on võimalik kasulikult modifitseerida selliseid võimalikke nanoelektroonikaseadiste komponente nagu süsiniknanotorud (CNT). DNA motiivid on näiteks kasutatavad CNT orienteerimisel molekulaarskaalal transistoride valmistamiseks. Nii näiteks on tõestatud, et saab valmistada isekoostuvad CNT-väljatransistore (FET), mis käituvad tavapäraste p-tüüpi FET-na. Veel on DNA origamid olnud sobivateks platvormideks plasmoonilistele struktuuridele, üksikute molekulide visualiseerimisel ning analüüsil ja keemiliste reaktsioonide juhtimisel. Isekoostuvad DNA-põhised seadmed on kasutatavad elektrooniliste biosensoritena, näiteks DNA ja alusjärjestuste ära tundmiseks. Tööprintsiipideks sellistel sensoritel võib olla elektrokeemiline äratundmine või elektrisignaali detekteerimine. Näiteks võib tuua DNA väljatransistori (DNA-FET), kus pais on tehtud ss-DNA molekulidest, mis käituvad pinnaretseptorina uuritavate molekulide jaoks. Tahkise nanopoore kasutatakse tihtipeale erinevate molekulide elektrooniliseks äratundmiseks, kuid mõnede rakenduste jaoks on tarvis poori suuruse ja omaduste väga täpne viimistlemine. See on saavutatav DNA struktuuride poorideks inkorporeerimisega, näiteks saab kolmedimensioonilisi (3D) DNA origamistruktuure kasutada koos litograafiliselt valmistatud pooridega. DNA dupleks võib käituda spinnfiltrina spinn-selektiivseks elektronide transmissioonil. Efektiivne barjäär ebasoodsa spinni jaoks on väiksem lühema oligomeeri jaoks, mistõttu selle spinniga elektronid on suurema juhtivusega. Suurema efektiivse barjääri tõttu pikemates DNA molekulides vool ebasoodsa spinniga blokeeritakse. Takistuse muutumist mehaanilise jõu rakendamisel kutsutakse piesotakistuseks. DNA puhul on elektrooniline paardumine naaberaluste vahel sõltuv mehaanilisest jõust, millel on mõju π-π sidemele. Termoelektriline efekt on temperatuuride erinevuse otsene muundumine elektriliseks pingeks, mida kirjeldab Seebecki koefitsient. Juhul kui järjestikku on A - T ühikuid vähem kui 4, käitub koht tunnelbarjäärina, koefitsient on võrreldes G - C järjestusega suur ja lineaarselt sõltuv molekulaarsest pikkusest (5 μV/K kuni 8 μV/K). Pikema AT bloki korral muutub juhtivusmehhanism tunnelleerumisest oomiliseks (hopping) ja koefitsient kahaneb (~2 μV/K). DNA termoelektrilised omadused on seetõttu mõjutatud järjestuse ja pikkuse poolt. Seni puuduolev kontroll DNA struktuuri üle erinevates keskkondades on vajalik laengujuhtimise mõõtmiste andmete täpsustamiseks ning pikema eluea ning stabiilsemate DNA-põhiste molekulaarsete seadmete saamiseks. Suurte biomolekulide nagu DNA modelleerimine on keeruline, mistõttu on tarvis täpsemaid teoreetilisi mudeleid ja arvutusalgoritme, et paremini matkida eksperimentaalseid mõõtmisi. Linko, V. and Toppari, J.J., 2013. Self-assembled DNA-based structures for nanoelectronics. Journal of Self-Assembly and Molecular Electronics (SAME), 1(1), pp.101-124. Houlton, A. and Watson, S.M., 2011. DNA-based nanowires. Towards bottom-up nanoscale electronics. Annual Reports Section" A"(Inorganic Chemistry), 107, pp.21-42. Taniguchi, Masateru, and Tomoji Kawai. "DNA electronics." Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 33, no. 1 (2006): 1-12. Wang, K., 2018. DNA-based single-molecule electronics: From concept to function. Journal of functional biomaterials, 9(1), p.8. Tabata, H., Cai, L.T., Gu, J.H., Tanaka, S., Otsuka, Y., Sacho, Y., Taniguchi, M. and Kawai, T., 2003. Toward the DNA electronics. Synthetic metals, 133, pp.469-472.