На пути к биомолекулярной электронике и ионике на основе РНК с различными противоионами

Abstract

Рассматриваются аргументы, подтверждающие и опровергающие возможность твердотельного подхода к анализу свойств РНК и других нуклеиновых кислот. Даются обоснования рациональности параллельной индикации электрофизических и фазовых свойств нуклеиновых кислот и их составляющих с учeтом эффектов и механизмов воздействия компонентов среды. Отмечается зависимость таких эффектов от ионного состава среды и степени гидратации образца. Предлагаются методы исследования зависимости электрофизических свойств дегидратированных, твердотельных образцов РНК от ионного состава среды, в частности, от природы противоиона. Использованный набор методов включает в себя прямую визуализацию зарядки поверхности образцов с использованием электронного пучка сканирующего электронного микроскопа и осциллографии распространения волн заряда; измерения протонной магнитной релаксации для оценки времен спин-спиновой релаксации и доли протонов с различными степенями подвижности; анализ фазового состояния кристаллической РНК и её солей путем термогравиметрии; анализ дисперсии диэлектрической проницаемости кристаллической РНК и её солей вплоть до сверхвысокочастотного диапазона. Таким образом, для задач создания биоэлектроники/биомолекулярной электроники на основе твердотельной РНК экспериментально доказывается: а) возможность проведения электрофизического сигнала на поверхности гранулятов РНК; б) наличие микро/наноструктуры, способной к проведению электрофизического сигнала РНК; в) зависимость проведения сигнала от ионного состава среды и степени гидратации образца. У твердотельной РНК и её соли зарядка под электронным пучком, подвижность протонов и частотная зависимость (дисперсия) диэлектрической проницаемости в радиочастотном диапазоне (вплоть до СВЧ) существенно различаются.

The arguments confirming and refuting the plausibility of a solid-state approach to the analysis of the properties of RNA and other nucleic acids are discussed in the introduction. Substantiations are given for the rationality of a parallel indication of the electrophysical and phase properties of nucleic acids and their constituents, taking into account the effects of the medium components and the mechanisms of their action. The dependence of such effects on the ionic composition of the medium and the hydration degree of the sample is pointed out. Based on the mechanisms of the RNA-based complex formation, methods are proposed to study the dependence of the electrophysical properties of dehydrated, solid-state RNA samples on the ionic composition of the medium, including the nature of the counter-ions. A number of methods used includes direct visualization of the surface charging using low voltage electron microscopy and oscilloscope/waveform monitor; direct study of molecular dynamics in solid-phase samples of RNA and its salts by measuring proton magnetic relaxation to estimate spin-spin relaxation times and fractions of protons with different mobility; the analysis of the phase state of crystalline RNA and its salts using thermogravimetry; measurements of frequency dispersion (spectra) of dielectric permittivity of crystalline RNA and its salts up to the microwave bands. For the RNA bioelectronics development, the above methods allowed to establish: a) transduction of an electrophysical signal; b) the presence of a nanostructure capable of the signal transduction; c) dependence of the signal transduction on the ionic composition of the sample since pure solid-state RNA and its sodium salt demonstrate significantly different electron beam-induced charging, proton mobility and frequency dispersion of dielectric permittivity in radiofrequency band (up to the microwave region).