Naukowcy z University of Virginia School of Medicine i ich współpracownicy wykorzystali DNA do pokonania prawie nie do pokonania przeszkody w tworzeniu materiałów, które zrewolucjonizowałyby elektronikę.
Jednym z możliwych wyników takich materiałów inżynieryjnych mogą być nadprzewodniki, które mają zerową oporność elektryczną, umożliwiając swobodny przepływ elektronów. Oznacza to, że nie tracą energii i nie wytwarzają ciepła, w przeciwieństwie do obecnych środków transmisji elektrycznej. Opracowanie nadprzewodnika, który mógłby być szeroko stosowany w temperaturze pokojowej – zamiast w ekstremalnie wysokich lub niskich temperaturach, jak to jest obecnie możliwe – może prowadzić do superszybkich komputerów, zmniejszyć rozmiary urządzeń elektronicznych, umożliwić szybkim pociągom unoszą się na magnesach i zmniejszają zużycie energii, a także inne korzyści.
Jeden z takich nadprzewodników został po raz pierwszy zaproponowany ponad 50 lat temu przez fizyka ze Stanforda Williama A. Little’a. Naukowcy spędzili dziesięciolecia, próbując sprawić, by to zadziałało, ale nawet po zweryfikowaniu wykonalności jego pomysłu zostało im wyzwanie, które wydawało się niemożliwe do pokonania. Do teraz.
Dr Edward H. Egelman z Wydziału Biochemii i Genetyki Molekularnej UVA był liderem w dziedzinie mikroskopii krioelektronowej (cryo-EM), a on i Leticia Beltran, doktorantka w jego laboratorium, używali krio- Obrazowanie EM dla tego pozornie niemożliwego projektu. „To pokazuje – powiedział – że technika krio-EM ma ogromny potencjał w badaniach materiałowych”.
Inżynieria na poziomie atomowym
Jednym z możliwych sposobów realizacji pomysłu Little’a na nadprzewodnik jest zmodyfikowanie sieci nanorurek węglowych, pustych cylindrów węgla tak maleńkich, że muszą być mierzone w nanometrach – miliardowych częściach metra. Ale było ogromne wyzwanie: kontrolowanie reakcji chemicznych wzdłuż nanorurek, aby sieć mogła być złożona tak dokładnie, jak to konieczne i funkcjonować zgodnie z przeznaczeniem.
Egelman i jego współpracownicy znaleźli odpowiedź w samych cegiełkach życia. Wzięli DNA, materiał genetyczny, który mówi żywym komórkom, jak mają działać, i użyli go do kierowania reakcją chemiczną, która pokonałaby wielką barierę dla nadprzewodnika Little’a. Krótko mówiąc, wykorzystali chemię do wykonania zdumiewająco precyzyjnej inżynierii strukturalnej – konstrukcji na poziomie pojedynczych cząsteczek. W rezultacie powstała siatka nanorurek węglowych złożona zgodnie z potrzebami dla nadprzewodnika Little’a działającego w temperaturze pokojowej.
„Ta praca pokazuje, że uporządkowaną modyfikację nanorurek węglowych można osiągnąć, wykorzystując kontrolę sekwencji DNA nad odstępami między sąsiednimi miejscami reakcji” – powiedział Egelman.
Jak twierdzą naukowcy, zbudowana przez nich siatka nie została na razie przetestowana pod kątem nadprzewodnictwa, ale jest dowodem działania i ma ogromny potencjał na przyszłość. „Chociaż krio-EM pojawiła się jako główna technika biologii do określania struktur atomowych zespołów białkowych, jak dotąd miała znacznie mniejszy wpływ na materiałoznawstwo” – powiedział Egelman, którego wcześniejsze prace doprowadziły do jego wprowadzenia do Narodowej Akademii Nauki, jedno z najwyższych wyróżnień, jakie może otrzymać naukowiec.
Egelman i jego koledzy twierdzą, że ich podejście do budowy sieci oparte na DNA może mieć wiele przydatnych zastosowań badawczych, zwłaszcza w fizyce. Ale potwierdza również możliwość zbudowania nadprzewodnika Little’a działającego w temperaturze pokojowej. Prace naukowców, w połączeniu z innymi przełomowymi odkryciami w dziedzinie nadprzewodników w ostatnich latach, mogą ostatecznie przekształcić technologię, jaką znamy, i doprowadzić do znacznie bardziej „Star Trek” przyszłości.
„Chociaż często myślimy o biologii przy użyciu narzędzi i technik z fizyki, nasza praca pokazuje, że podejścia opracowywane w biologii można faktycznie zastosować do problemów w fizyce i inżynierii” – powiedział Egelman. „To właśnie jest tak ekscytujące w nauce: niemożność przewidzenia, dokąd doprowadzi nasza praca”.
Prace były wspierane przez Narodowy Instytut Standardów i Technologii Departamentu Handlu oraz grant GM122510 Narodowego Instytutu Zdrowia, a także przez stypendium podoktorskie NRC.