Los efectos cuánticos son clave para una electrónica basada en el ADN

Artículo publicado por Cathal O’Connell el 21 de junio de 2016 en Cosmos Magazine

¿Podría la molécula de la vida convertirse en la molécula de la electrónica? Los científicos han dado otro paso adelante hacia hacerlo realidad.

Los patrones de los pares de bases del ADN que codifican nuestros genes, pueden también usarse para ajustar el flujo de la electricidad, según han descubierto investigadores estadounidenses.

El trabajo podría algún día llevarnos hasta una electrónica basada en el ADN, hecha de componentes mucho más pequeños que los que se comprimen en los actuales circuitos de ordenador basados en el silicio.

En Nature Chemistry un equipo dirigido por Nongjian Tao de la Universidad Estatal de Arizona describe cómo el patrón de bases (A, C, G o T) puede hacer que la electricidad fluya tan fácilmente por el ADN como por un cable metálico, o en pequeños saltos como en los semiconductores.

Electrónica basada en el ADN Crédito: ALEX BELOMLINSKY

Este enfoque se basa en el aprovechamiento de la naturaleza cuántica del electrón – en determinar si los electrones actúan como ondas o partículas cuando se mueven a través de una hebra de ADN.

Durante décadas, los ingenieros han estado apiñando cada vez más elementos de circuitos en los chips de computadores, haciendo que los componentes individuales, como los transistores, sean más pequeños.

El problema es que esta disminución no puede seguir para siempre. Finalmente alcanzas un límite donde los transistores vecinos interfieren entre sí. Para ir más allá del silicio, los científicos están buscando hacer una electrónica basada en moléculas individuales.

Y el ADN es una de las moléculas más prometedoras para construir componentes electrónicos, habiendo sido descubierta por la naturaleza hace 3800 millones de años.

Las ventajas clave del ADN son su estabilidad y la forma en que puede programarse para ensamblar estructuras prediseñadas. En 2009, por ejemplo, los científicos usaron ADN como una placa de circuitos para ensamblar componentes electrónicos separados por 6 nanómetros – mucho menos de lo que permite el actual procesamiento con silicio.

El ADN también tiene una conductividad eléctrica interesante, aunque sus propiedades medidas han variado de una forma un tanto difícil de explicar.

En 2014, por ejemplo, los científicos desarrollaron cables basados en ADN que demostraban que pueden conducir la electricidad casi como los metales.

Y en abril de este año, investigadores de la Universidad de Georgia crearon el diodo más pequeño del mundo (uno de los bloques básicos fundamentales de la computación) a partir de una hebra de ADN de apenas 11 pares de longitud. En este caso, el ADN actúa más como un semiconductor.

El nuevo trabajo proporciona una comprensión sobre por qué una molécula de ADN puede tener una propiedades tan distintas (metálicas o semiconductoras). El truco, como en nuestro genoma, es el patrón de bases ACGT a lo largo de nuestra cadena de ADN.

Cada par de bases tiene una conductividad eléctrica distinta, pero crear un ADN conductor no es simplemente insertar una larga secuencia de la base más conductora. En lugar de esto, Tao y su equipo observaron que necesitaban crear patrones de bases que compartían electrones entre sí – de forma similar a la forma en que se comparten electrones en los átomos de un metal. Por ejemplo, alternar series de cinco bases de guanina (G) creaba la mejor conductividad eléctrica.

Aunque están compartidos entre bases, los electrones pueden moverse fácilmente por el ADN gracias a la propiedad de túnel cuántico (el extraño efecto cuántico que permite a las partículas “atravesar las paredes”).

Pero cuando el ADN está codificado en otras configuraciones, los electrones se mueven más como partículas, saltando por la hebra.

“Piensa en ello como en intentar cruzar un río”, dice Limin Xiang, coautor del trabajo. “Puedes cruzarlo rápidamente usando un puente, o puedes saltar de una roca a otra”.

El equipo validó la teoría uniendo hebras de ADN entre un par de electrodos de oro, y midiendo su resistencia a una pequeña corriente.

Usando este enfoque, los científicos pudieron diseñar circuitos basados en el ADN con distintas moléculas actuando como distintos elementos del circuito (cables, diodos, resistencias, etcétera).

Por el momento, el equipo sólo ha puesto a prueba hebras de hasta 16 pares de bases de largo. Si pueden construir dispositivos robustos y duraderos es algo que aún está por ver.

La electrónica molecular es improbable que reemplace a los dispositivos semiconductores en un futuro cercano, pero lo que es genial de las moléculas es que pueden realizar una variedad de tareas que van más allá de lo que pueden hacer los semiconductores, tales como hacer de sensores en un entorno químico.

Un diseño de ADN podría formar el esqueleto de un nuevo tipo de dispositivos especializados, tales como narices electrónicas. Y eso no es algo que se puedes despreciar alegremente.