Print deze pagina 7 februari 2000 2000/02

DNA als elektrische geleider?

Onderzoekers bij de Technische Universiteit Delft hebben in een gezamenlijk project van de Stichting FOM en de TU Delft aangetoond dat een kort DNA-molecuul zich gedraagt als een halfgeleider. Bij een klein spanningsverschil geleidt het molecuul geen elektrische stroom en is dan een isolator. Bij een groter spanningsverschil gaat het molecuul wel elektrische stroom geleiden. Dit is typisch het gedrag van een halfgeleider. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in de Nature van 10 februari aanstaande. DNA is een van de belangrijkste moleculen die er bestaan. In de afgelopen vijftig jaar is vrijwel alles van DNA gemeten. De elektrische eigenschappen zijn echter opmerkelijk genoeg nog maar weinig onderzocht.

De Israelische postdoc Danny Porath (tot voor kort in dienst van de Stichting FOM), de Russische postdoc Alexey Bezryadin (ex-FOM, nu werkzaam bij Harvard), biotechnoloog Simon de Vries (TU Delft) en natuurkundehoogleraar Cees Dekker (TU Delft) beschrijven in Nature experimenten met elektrisch transport door een klein DNA-molecuul. Ze gebruikten een stukje poly(G)-poly(C) DNA van 10 nanometer lang. Zo'n stukje DNA kun je gewoon bij een biotechbedrijf kopen. DNA bestaat uit ketens van suiker- en fosfaatgroepen, waaraan nucleotidenbasen vastzitten. Van die basen zijn er vier, adrenine (A), thymine (T), guanine (G) en cytosine (C). Ze vormen paren, waarbij alleen de combinaties A-T en G-C voorkomen. Door die paren hechten zich de ketens aan elkaar en ontstaat de bekende wenteltrapstructuur van DNA. Verwacht werd dat guanine het beste lading opneemt en daarom kozen onderzoekers in Delft voor een stukje van 30 G-C-paren.

Stroom door DNA
Langs elektrostatische weg maakten ze het stukje DNA vast tussen twee elektroden die 8 nanometer uit elkaar lagen. Het DNA vormde als het ware een brug tussen de elektroden (zie figuur 1). Door een spanningsverschil over de elektroden te zetten (figuur 2), konden de onderzoekers nagaan of er een stroom door het DNA ging lopen. Verleden jaar meldden twee Zwitserse onderzoekers dat ze voor het eerst stroom door stukjes DNA hadden gemeten en dat het DNA een goede lineaire geleider lijkt te zijn. De Delftse metingen wijzen iets heel anders uit. Tot aan een spanningsverschil van een paar volt is de stroom zo goed als nul. Het DNA-molecuul gedraagt zich als een isolator. Boven de drempel van ongeveer 2 volt spanningsverschil gaat de stroomsterkte scherp omhoog (zie figuur 3). In sommige gevallen bedroeg de stroomsterkte meer dan 100 nano-ampère, wat overeenkomt met rond 10¹² elektronen per seconde.

Geleiding als in halfgeleider
Hoe verloopt het elektrisch transport nu precies? De details hiervan zijn nog onduidelijk. Metingen aan het geleidingsgedrag die door de onderzoekers in Delft zijn gedaan, sluiten bepaalde modellen uit (transport door quantumtunnelen bijvoorbeeld). De resultaten wijzen sterk in de richting van transport via een - op zich gewone - geleidingsband die over het DNA-molecuul als geheel ontstaat. Dit is analoog aan hoe elektronen zich voortbewegen in een halfgeleider zoals silicium. Er blijft echter op dit gebied nog veel over wat verder onderzocht kan worden.

Controle-experimenten
Vanwege het grote belang van hun metingen aan DNA voerden de Delftse onderzoekers een groot aantal controle-experimenten uit om er absoluut zeker van te zijn dat de gemeten stroom werkelijk door het DNA-molecuul liep. Mogelijkheden die moesten worden uitgesloten waren bijvoorbeeld het oplosmiddel waarin het DNA had gezeten, water van dat oplosmiddel of (an)organisch materiaal dat tijdens het aanbrengen van het DNA gevormd zou kunnen zijn. Een andere controle was het verbreden van de kloof tussen de elektroden, om er zeker van te zijn dat inderdaad dat stukje DNA van 10 nanometer de brug over de kloof vormde. Een elegante test was het toevoegen van een enzym dat het DNA 'opeet'. Zoals verwacht verdween de geleiding hierbij inderdaad. Werd het enzym echter toegevoerd in een 'gehandicapte' vorm waarbij de 'eetfunctie' was uitgeschakeld, dan bleef de geleiding door het DNA wel gehandhaafd. Al die controle-experimenten wezen uit dat het inderdaad het stukje DNA was dat de elektrische geleiding verzorgde.

Voor meer informatie kunt u contact opnemen met prof.dr. Cees Dekker, Technische Universiteit Delft, telefoon: (015) 278 60 94.