[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究采用多尺度建模方法，结合Landauer形式（相干隧穿）与Marcus-Hush理论（非相干跳跃），比较了双链DNA（dsDNA，B型）与双链RNA（dsRNA，A型）中的电子电荷传输行为。结果表明，在非相干跳跃区域，由于结构无序性，dsDNA的导电性能优于dsRNA；而在相干隧穿区域，由于dsRNA的端到端距离更短，其导电性能优于dsDNA，揭示了导电性能具有依赖于传输机制的特性。

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.

研究动机与目标

• 解决关于dsDNA与dsRNA电荷传输效率相对高低的矛盾实验报告。
• 研究dsRNA是否可作为分子电子学中dsDNA的可行替代品。
• 确定A型dsRNA与B型dsDNA之间的结构差异如何影响电子电导率。
• 比较相干（隧穿）与非相干（跳跃）电荷传输机制下的电导性能。
• 建立一个多尺度建模框架，基于结构参数预测核酸中的电荷传输行为。

提出的方法

• 采用结合分子动力学模拟与电子结构计算的多尺度建模框架。
• 使用Landauer形式计算相干极限下的相干电子传输。
• 应用Marcus-Hush理论模拟非相干极限下的非相干跳跃传输。
• 分析扭转角、滑动、倾斜角与螺旋升距等结构参数，以关联其与电导趋势的关系。
• 计算9 bp与13 bp序列的透射概率及电流-电压（I-V）特性。
• 通过9聚体与13聚体dsDNA/dsRNA序列的实验数据验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非相干跳跃区域，dsDNA与dsRNA中哪一种核酸表现出更高的电子电导率？
• RQ2 对于相同碱基对长度，dsRNA的相干隧穿电导率与dsDNA相比如何？
• RQ3 dsRNA与dsDNA的哪些结构特征决定了其相对电荷传输效率？
• RQ4 与dsDNA相比，dsRNA的端到端距离是否影响其在相干区域的电导性能？
• RQ5 dsRNA的电导行为是否可推广至其他序列，还是具有序列特异性？

主要发现

• 在非相干跳跃区域，尽管dsRNA的螺旋升距更低，但因结构更有序，dsDNA的电导率高于dsRNA。
• 在相干隧穿区域，由于平均端到端距离更小，相同长度下dsRNA的电导率高于dsDNA。
• dsRNA的衰减常数（0.74 Å⁻¹）高于dsDNA（0.52 Å⁻¹），表明其具有更强的长度依赖性，且相干传输效率更高。
• 对于9 bp序列d-(CCCGCGCCC)，实验测得的A型DNA:RNA杂合体电导值约为B型dsDNA的10倍，该趋势在我们的相干传输模拟中得到一致体现。
• 在跳跃区域，相同9 bp序列下，dsDNA的电导率约为dsRNA的两个数量级，与实验I-V测量结果一致。
• 两种机制下电导趋势的反转表明，主导传输机制决定了dsDNA或dsRNA在电学性能上的优劣。