Çevresel faktörlerin DNA'nın moleküler yapısı ve elektriksel iletkenliği üzerindeki etkilerinin incelenmesi

Abstract

Günümüzde bilgisayar teknolojilerinde yarı iletken silisyum tabanlı malzemeler kullanılmaktadır. Moore kuralı günümüze kadar geçerliliğini büyük ölçüde korumuş ve 1947'den bu yana her iki yılda bir aynı alandaki transistör yoğunluğunun iki katına çıktığı gözlenmiştir. Ancak, bu sistemlerde devrelerin boyutları küçüldükçe silisyumun malzeme özellikleri nedeni ile gerekli araştırma ve deneysel geliştirme süreleri ve maliyetleri artmaktadır. Moleküler elektronik DNA, RNA, peptit ve karbon nanotüp gibi yapı taşları kullanılarak elektronik cihazların tasarımı ve üretimidir. Burada amaç silisyum tabanlı entegre devrelere entegre olabilecek veya bu devrelerin yerini alabilecek, boyutsal küçülmenin devamını sağlayacak yeni sistemlerin üretilmesidir. Bunun başarılabilmesi çok sayıda farklı moleküler sistemin yapısal kararlılığı ile elektronik bant yapısının ve elektron taşınım mekanizmasının anlaşılmasına bağlıdır.Canlılarda genetik bilginin taşıyıcısı olan DNA, sahip olduğu özgün elektronik özellikler sayesinde moleküler elektronik için önemli bir çalışma alanıdır. DNA'nın elektrik iletkenliğinin anlaşılması ve kontrol edilebilmesi için giderek artan sayıda teorik ve deneysel çalışmalar yapılmaktadır. Çevresel, yapısal ve kimyasal faktörler DNA'nın moleküler yapısı, dolayısıyla iletkenliği üzerinde son derecede etkilidir. DNA, sarmaldaki dönüş başına baz (nükleotit) sayısı, bazlar arası uzaklık, baz çiftleri arasındaki dikey uzaklık ve sarmalın helisel çapına göre farklı formlarda bulunmaktadır. Bu formlar arasında en yaygın olan iki tür A DNA ve B DNA olarak adlandırılır ve bu formların farklı elektriksel özellikler gösterdiği bilinmektedir. DNA'nın hangi formda bulunacağı içinde bulunduğu çözeltinin özelliklerine (etanol ve tuz konsantrosyonu) bağlıdır. Bu tez kapsamında DNA'nın farklı etanol ve tuz konsantrasyonlarında hangi yapılara sahip olduğu moleküler dinamik yöntemleri (AMBER 16) ile araştırılmıştır. Elde edilen simülasyonlardan temsilci yapılar seçilerek bu yapılardaki yük taşınım özellikleri kuantum mekanik teknikler (yoğunluk fonksiyonel teorisi) ile hesaplanmıştır. Sonuç olarak, bu tez kapsamında, çözeltideki etanol ve tuz konsantrasyonlarına bağlı olarak DNA'nın hangi kararlı yapılara sahip olduğu ve bu kararlı yapıların elektriksel iletim özellikleri belirlenmiştir.

Silicon based materials are used in electronic circuits in today's electronic technology. The smaller the size of the materials, the higher the research time and cost required for the new devices in silicon based electronic technologies. Molecular electronics could be an alternative field to silicon technologies in reducing the circuit size. Molecular electronics is the study of molecular building blocks such as DNA, RNA, peptides or carbon nanotubes for design and manufacture of electronic devices. Understanding of the electronic properties of many different molecular systems is necessary to build new molecular devices. DNA is an important study material for molecular electronics based on its unique electronic and structural properties. In order to understand DNA conductance, its electronic properties have been studied over the years both theoretically and experimentally. However, controlling conductance of DNA is depending on conformational properties, chemical and environmental factors. DNA exists in different forms according to the number of bases (nucleotides) per rotation in the helix, the distance between the bases, the vertical distance between the base pairs and the helical diameter of the helix. A DNA and B DNA are the two of most common forms and are known to exhibit different electrical properties. In this study, to analyze the effect of environment (ethanol and salt concentration) on conformations of DNA, we first completed molecular dynamics simulations (Amber 16) and determined the A-B transformation path. After that, we chose representative structures from the simulations and calculated and analyzed the electronic properties of the structures using density functional theory (Gaussian 09). As a result, depending on the ethanol and salt concentrations in the solution, stable structures of DNA and the electrical conduction properties of these stable structures were determined.