Популярно о науке

Программно смоделированы алгоритмы переноса заряда в ДНК на большие расстояния

Лабораторией квантово-механических систем (ИМПБ РАН) был численно исследован поляронный перенос заряда в ДНК в постоянном электрическом поле. Поставленные математические эксперименты подтвердили возможность эффективного движения заряда на большие расстояния и продемонстрировали, что процесс возможен и без задания специальных начальных условий.

В настоящее время опубликовано множество теоретических работ, посвященных моделям переноса заряда в ДНК, но, пока, отсутствует надежный способ расчета того, как это происходит. А значит затруднительно серьезное продвижение в конструировании электронных устройств на основе ДНК. Решение задач, обеспечивающих использование биомолекул в молекулярной электронике, позволило бы приблизить давно ожидаемую смену основной парадигмы электроники. Но для этого необходимо решить еще много проблем.

В теоретических работах обсуждаются две базовые модели переноса избыточного заряда. Согласно одной, электрон или дырка в ДНК движется прыжками, переходя последовательно с одного основания на другое (см., например, Jortner J., Bixon M., Langenbacher T, Michel-Beyerle M.E. PNAS, 1998, v. 95, p.12759). В другой модели переход осуществляется в результате суперобмена, согласно которому электрон химически не взаимодействует с промежуточными, отделяющими донор от акцептора, нуклеотидными парами, и непосредственно переходит с донора на акцептор (Beratan D.N., Priyadarshy S., Risser S.M. Chemistry & Biology, 1997, v.4, p.3).

Сотрудниками лаборатории была предложена и исследована математическая модель, объединяющая оба подхода, когда два вышеописанных механизма выступают лишь как предельные случаи. За основу взят гамильтониан Холстейна для квантово-классического описания динамики привнесенного заряда (электрона или дырки) вдоль полинуклеотидной цепочки. Для учета температуры окружающего раствора в уравнения модели добавлена случайная сила, имитирующая тепловые флуктуации окружающей среды.

Продемонстрировано, что если в решетке существует неподвижный полярон, а затем возбуждается баббл, даже не очень мощный, то в результате взаимодействия полярона с фононами, излученными при формировании баббла, полярон приобретает способность двигаться с достаточно высокой скоростью, при этом первоначальное направление движения зависит, по-видимому, от фазы фононных волн, достигающих полярона. Движущийся полярон может пересечь область низкоэнергетического баббла или отразиться от мощного баббла. Характерная длина траектории, т.е. расстояния, на которое переносится заряд, может быть очень большой, до 100-200 сайтов (групп, сильно связанных атомов, которые сравнительно слабо взаимодействуют друг с другом).

С использованием разработанного пакета программ учеными было численно исследовано возбуждение нелинейных колебаний в ДНК внешним импульсом, локализованным на одном сайте и возможность захвата и переноса заряда таким возбуждением.

Лабораторией были программно реализованы алгоритмы для моделирования переноса заряда в биополимерах. Модель может использоваться для прогнозирования результатов биофизических экспериментов по переносу заряда в ДНК, для изучения процессов канцерогенеза и мутагенеза. Сделан еще один шаг в решении фундаментальных задач молекулярной электроники.