[論文レビュー] DNA versus RNA -- which shows higher electronic conduction?

Abhishek Aggarwal, Saientan Bag+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2020

Advanced biosensing and bioanalysis techniques参考文献 76被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、Landauer形式（ coherent tunneling ）とMarcus-Hush理論（ incoherent hopping ）を用いたマルチスケールモデリングにより、二重鎖DNA（dsDNA、B型）と二重鎖RNA（dsRNA、A型）における電子的電荷輸送を比較した。結果として、構造的不規則性のため、incoherent hopping領域ではdsDNAがdsRNAを上回るが、end-to-end距離が短いことから、coherent tunneling領域ではdsRNAがdsDNAを上回ることを明らかにした。これは、輸送メカニズムに依存した導電性の差を示している。

ABSTRACT

In this study, we compare the charge transport properties of multiple (double stranded) dsRNA sequences with corresponding dsDNA sequences. Recent studies have presented a contradictory picture of relative charge transport efficiencies in A-form DNA:RNA hybrids and dsDNA. Using a multiscale modelling framework, we compute conductance of dsDNA and dsRNA using Landauer formalism in coherent limit and Marcus-Hush theory in the incoherent limit. We find that dsDNA conducts better than dsRNA in both the charge transport regimes. Our analysis shows that the structural differences in the twist angle and slide of dsDNA and dsRNA are the main reasons behind the higher conductance of dsDNA in the incoherent hopping regime. In the coherent limit however, for the same base pair length, the conductance of dsRNA is higher than that of dsDNA for the morphologies where dsRNA has smaller end-to-end length relative to that of dsDNA.

研究の動機と目的

• dsDNAとdsRNAの相対的な電荷輸送効率について、矛盾する実験報告を解消すること。
• dsRNAが分子エレクトロニクスにおけるdsDNAの代替として実用可能かどうかを調査すること。
• A型dsRNAとB型dsDNAの構造的差が電子的導電度に与える影響を特定すること。
• coherent（トンネル効果）とincoherent（ホッピング）の両輸送領域における導電度を比較すること。
• 構造的パラメータに基づいて核酸における電荷輸送を予測可能なマルチスケールモデリングフレームワークを提供すること。

提案手法

• 分子動力学シミュレーションと電子構造計算を統合したマルチスケールモデリングフレームワークを採用した。
• coherent極限における電子的輸送を計算するためにLandauer形式を用いた。
• incoherent極限におけるホッピング輸送をモデル化するためにMarcus-Hush理論を適用した。
• ねじれ角、スライド、傾斜、ヘリカルリフトといった構造的パラメータを分析し、導電度の傾向と相関をとらせた。
• 9 bpおよび13 bpの配列について、透過確率および電流-電圧（I-V）特性を計算した。
• 9-merおよび13-merのdsDNA/dsRNA配列に関する実験データと照合して、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 incoherent hopping領域において、dsDNAとdsRNAのどちらがより高い電子的導電度を示すか？
• RQ2 同じ塩基対長さにおいて、dsRNAのcoherent tunneling導電度はdsDNAに比べてどうか？
• RQ3 dsRNAとdsDNAの相対的な電荷輸送効率を支配する構造的特徴は何か？
• RQ4 dsRNAのend-to-end距離が、coherent領域における導電度に影響を与えるか？
• RQ5 dsRNAの導電度行動は他の配列に一般化可能か、それとも配列特異的か？

主な発見

• incoherent hopping領域では、構造的秩序性が高いため、dsDNAの導電度がdsRNAを上回る。これは、dsRNAのヘリカルリフトが低いにもかかわらず同様に成立する。
• coherent tunneling領域では、平均的なend-to-end距離が小さいため、同じ長さのdsRNAがdsDNAを上回る導電度を示す。
• dsRNAの減衰定数（0.74 Å⁻¹）は、dsDNAのそれ（0.52 Å⁻¹）を上回り、長さ依存性が強く、coherent輸送においてdsRNAがより効率的であることを示している。
• 9 bp配列 d-(CCCGCGCCC) において、実験的導電度はA型DNA:RNAハイブリッドでB型dsDNAの約10倍高く、coherent輸送シミュレーションでも同様の傾向を示した。
• hopping領域では、同じ9 bp配列においてdsDNAの導電度はdsRNAの約2桁高い。これは実験的I-V測定と整合的である。
• 両領域間で導電度の順序が逆転する現象は、電気的性能が支配的輸送メカニズムに依存することを示している。