В лаборатории квантово-механических систем Института математических проблем биологии РАН провели численное исследование поляронного переноса заряда в ДНК. Благодаря произведенным математическим экспериментам удалось подтвердить, что можно эффективно переносить заряды на большие расстояния. Также с их помощью продемонстрировали возможность осуществления процесса без необходимости задавать специальные начальные условия.

Существует немало научно-теоретических работ, которые посвящены моделированию переноса заряда в ДНК. Однако сейчас нет надежного метода вычисления, позволяющего определить, как происходит перенос. Следовательно, возникают серьезные затруднения в продвижении создания электронных устройств, основанных на ДНК. Если решить проблему обеспечения использования биологических молекул в молекулярной электронике, то можно приблизиться к смене парадигмы в электронике, которую давно ожидают во всем мире. Однако для полной смены придется решить еще множество других проблем.

Участок днк под электронным микроскопом

Перенос избыточного заряда активно исследуется в теоретических работах. Выделяется две основные модели, которые могут быть применимы для достижения данной цели. В соответствии с первой, электрон ДНК перемещается прыжками, постепенно двигаясь по основаниям. Другая модель описывает переход путем суперобмена, по которому электрон не имеет химического взаимодействия с промежуточными нуклеотидными парами. Он непосредственно перемещается с донора на акцептор.

Специалисты из лаборатории ИМПБ РАН предложили и изучили математическую модель, которая объединяет оба вышеописанных варианта. При этом они являются лишь предельными случаями. В качестве основы использовался гамильтониан Холстейна для классического квантового описания, характеризующего динамику привнесенного заряда вдоль полинуклеотидной цепочки. Чтобы учесть температуру окружающего раствора, в смоделированное уравнение было решено добавить случайную силу, которая имитирует тепловые колебания среды.

Также ученые продемонстрировали существование неподвижных поляронов в решетке, которые возбуждают даже не слишком мощный баббл. В этом случае при взаимодействии полярона и фононов, возникших при излучении во время формирования баббла, поляроном приобретается способность движения с высокой скоростью. Первоначальное направление движения определяется фазами волн фононов, которые достигают поляронов.

Полярон, находящийся в движении, способен пересекать низкоэнергетический баббл или отражаться от более мощного. Соответствующее расстояние (длина траектории) переноса заряда может быть довольно большим и доходить до 100 или даже 200 сайтов — групп взаимосвязанных атомов, относительно слабо взаимодействующих между собой.

С помощью программного пакета, разработанного учеными лаборатории, было произведено численное исследование, отражающее, как возбуждаются нелинейные колебания в ДНК под воздействием внешнего импульса. При этом они должны быть локализованы на одном сайте. Также в исследовании отразили способность захвата и переноса заряда данным возбуждением.

Специалистами исследовательской лаборатории были реализованы программным методом алгоритмы, моделирующие перемещения заряда в биополимерах.

По мнению редакции портала новостей «Центропресс», созданную модель можно применять в прогнозировании результатов экспериментов по переносу заряда в ДНК, проводимых в биохимии, а также для исследования канцерогенеза и мутагенеза. Фактически, данный эксперимент, проведенный российскими учеными, — это один из важнейших шагов, решающих фундаментальные задачи в области молекулярной электроники.