Ultra-freddo e simulazioni per svelare la struttura elettronica del DNA

Rivelata per la prima volta la struttura elettronica della molecola di DNA, grazie a una tecnica che combina misure a bassissime temperature e calcoli teorici. Il risultato permette di studiare come si spostano le cariche elettriche attraverso la catena del DNA, un meccanismo responsabile, ad esempio, della riparazione dei danni da radiazioni.

La ricerca, frutto di una collaborazione internazionale guidata da ricercatori del Centro S3 INFM-CNR di Modena e della Hebrew University di Gerusalemme, è pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature Materials (on line dal 25 novembre 2007).

I ricercatori sono riusciti a decifrare la struttura del DNA dal punto di vista elettronico, ovvero a stabilire come si distribuiscono gli elettroni negli orbitali molecolari della complessa struttura a doppia elica. Un risultato che la scienza insegue da più di dieci anni, intralciato spesso da difficoltà tecniche. Il successo arriva ora, grazie alla collaborazione di fisici teorici e sperimentali che hanno lavorato con molecole di DNA particolarmente lunghe e regolari, studiate a temperature di -195 gradi centigradi. Con un microscopio a effetto tunnel i ricercatori hanno misurato la corrente che attraversa la molecola, depositata su un substrato di oro. Poi, grazie a calcoli teorici basati sulla soluzione di equazioni quantistiche, è stato possibile ricostruire la struttura elettronica corrispondente alla corrente misurata, e da qui stabilire quali porzioni della struttura a doppia elica contribuiscono a far muovere gli elettroni attraverso la molecola.

La ricerca, diretta da Rosa di Felice del Centro S3 INFM-CNR di Modena e da Danny Porath della Hebrew University di Gerusalemme, in collaborazione con Università di Regensburg, CINECA di Bologna e Università di Tel Aviv, ha impiegato la tecnica della spettroscopia a effetto tunnel. Questa tecnica consiste nel portare una punta metallica delle dimensioni di pochi atomi estremamente vicino alla molecola di DNA, in modo da poter misurare la debole corrente che passa dalla punta al substrato, attraverso il DNA. Per limitare le distorsioni dovute a impurità e rumori di fondo i ricercatori hanno usato una forma altamente omogenea della molecola (composta solo dalle basi guanina e citosina) ed eseguito le misure alla temperatura criogenica di -195 gradi centigradi.

Le proprietà elettroniche del DNA sono importanti per campi che vanno dalla biochimica alla nanotecnologia. Ad esempio nello studio dei danni al DNA da radiazione ultravioletta, danni che possono produrre radicali liberi e mutazioni genetiche: in questi casi infatti 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-bio-elettronica, 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.

Electronic structure of single DNA molecules resolved by transverse scanning tunnelling spectroscopy - E.Shapir, H.Cohen, A.Calzolari, C.Cavazzoni, D.A.Ryndyk, G.Cuniberti, A.Kotlyar, R.Di Felice and D.Porath, Nature Materials

DOI 10.1038/nmat2060

Data articolo: novembre 2007