PREVODNOST IN ELEKTROMAGNETNO SEVANJE BAKTERIJSKEGA DNA

1. PREVODNOST IN ELEKTROMAGNETNO SEVANJE BAKTERIJSKEGA DNA (seminar) Mentor: prof. Rudolf Podgornik Avtor: Gašper Glavan

2. UVOD: • Prevodnost DNA: • I-U krivulje • Temperaturna odvisnost • Frekvenčna odvisnost • Sevanje bakterijskega DNA: • Teorija sevanja: • Elektroni v DNA zanki • Magnetni moment elektrona • Merjenje sevanja

3. Prevodnost DNA: • Kljub raziskavam mehanizem prenosa naboja ostaja nerazjasneno področje • Prevodnost močno odvisna od temperature, to odvisnost zelo dobro opiše Arrheniusov izraz • Frekvenčna odvisnost prevodnosti se dobro ujema s teoretičo napovedjo mehanizma poskočne vrzeli • Meritve izvajali na mokro vlečenih vlaken Li-DNA: • Tok v odvisnosti od napetosti pri različnih temp. • Prevodnost v odvisnosti od temperature pri različnih jakostih električnega polja

4. Priprava mokro vlečenih vlaken DNA: • Vzorci so bili pripravljeni iz telečjega timusa (priželjc) • Z mokrim vrtenjem in nato sušenjem • Ta metoda omogoča kontrolirano produkcijo zadostnih količin makroskopsko orientiranih v tanke sloje namotana DNA vlaken Shema aparature za pripravo mokro vlečenih DNA vlaken. A-precizna črpalka; B-predilo; C-zračni stolpec; D-vodilo oblike V; E-valj prevlečen s teflonom; F-povratna črpalka; H-steklena posoda; J-ventil

5. Posušeni sloji Li-DNA so debeline 3-4 mm in površine 10-20 mm2 • Te sloje so nato razrezali pravokotno na orientacijsko os in jih pri meritvi prevodnosti uporabili v razsutem stanju vzorca Mokro vlečena vlakna DNA Slika DNA v vzorcu

6. Krivulje tok-napetost: • Tokovno-napetostne krivulje merjene: • na vzorcu mokro vlečenih vlaken Li-DNA pri 75% relativne vlažnosti • pri fiksni temperaturi • v homogenem električnem polju • meritev je potekala vzporedno z orientacijsko osjo DNA

7. Električni tok se pri znižanju temperature za približno 20 K zmanjša za približno velikostni red pri določeni napetosti • Kar kaže na hitro povečevanje upornosti z manjšajočo se temperaturo • Skoraj linearno območje okrog napetosti 0 V z nižanjem temperature postane bolj poševno • Nelinarnost krivulj I-U je predvsem posledica električnega polja, induciranega zaradi povečanja števila nosilcev naboja • Opažena je bila šibka anizotropija pri sobni temperaturi med meritvami izvedene pravokotno oz. vzporedno na makroskopsko orientacijsko os DNA. Anizotropija je velikostnega reda: σ˔/σˡˡ ≈3

8. Meritve prevodnost-temperatura: • Vpliv električnega polja na temperaturno odvisnost prevodnosti merjena: • na vzorcu mokro vlečenih vlaken Li-DNA pri 75% relativne vlažnosti • v homogenem električnem polju • merjena vzporedno z orientacijsko osjo DNA

9. upornost vzorca lahko zanesljivo merimo do temperature 220 K, pri dodatnem hlajenju pa začne ohmmeter presegati mejno vrednost 1016Ω • konstantni člen B je posledica napetostne napake termočlena, ki je posledica temperaturnega gradienta v napeljavi • temperaturno odvisnost dobro opiše Arrheniusov izraz: • večinska odvisnost od jakosti el. polja se skriva v predfaktorju σ0 saj se povečanjem el. polja za faktor 2.5 σ0 poveča za več kot 2 velikostna reda, medtem ko aktivacijska energija U ostaja praktično enaka

10. prevodnost v odvisnosti od temperature merjena: • na vzorcu Li-DNA • sušenem v vakuumu več kot 24 ur pri sobni temperaturi • v homogenem električnem polju • merjeno vzporedno z orientacijsko osjo DNA

11. zgornji graf je fitan z Arrheniusovim izrazom • spodnji pa z izrazom, ki opisuje mehanizem poskočne vrzeli s spremenljivim dosegom • na razdaljah večjih od 3.7 nm je vrzel glavni nosilec naboja med baznimi pari DNA • za manjšo prevodnost v okolju siromašnem z vodo je kriva neobičajna B oblika DNA in ne manjše število nosilcev naboja

12. Temperaturna odvisnost električne prevodnosti, merjena vzporedno z orientacijsko osjo Li-DNA pri nekaj frekvencah med 20 Hz in 1MHz. Pri amplitudi izmeničnega električnega polja 78.13 V/cm • Frekvenčna odvisnost električne prevodnosti na območju 10-3 – 1015 Hz se zelo dobro ujema s teoretično napovedjo mehanizma poskočne vrzeli.

13. Frekvenčno odvisnost so merili z zunanjim izmeničnim električnim poljem z določeno frekvenco, to polje vpliva na vzorec z dielektrično konstanto, le ta pa vpliva na prevodnost • Zunanje polje vpliva na snov na naslednji način: • Povezava med dielektrično konstanto in prevodnostjo pa je:

14. Graf prikazuje frekvenčno odvisnost prevodnosti • Neprekinjena črna črta prikazuje teoretično napoved • Točke prikazujejo različne meritve pri različnih relativnih vlažnostih okolja z različnimi položaji merjenja glede na orientacijsko os DNA (pravokotno/vzporedno)

15. Mehanizem prevajanja poskočna vrzel: • Poskočna vrzel je mehanizem prenosa naboja, kjer vrzel nosi pozitiven naboj prek gvanina do nukleobaze z najnižjim oksidacijskim potencialom • Ugotovili so da vrzel preskakuje s frekvenco 109 Hz pri 300K in v povprečju naredi razdaljo 300 ± 70 Å

16. EM sevanje DNA: • Kemijske reakcije so lahko sprožene na razdaljo, zaradi EM signalov (fotosinteza) • V bakteriji E coli so nizko frekvenčni EM signali generirani z prehodi elektronov med različnimi energijskimi nivoji • Elektroni so šibko vezani in se gibljejo okrog DNA zanke • EM signali načeloma obeh AM in FM frekvenc, posledica različnih magnetnih pretokov v energijskem periodičnem spektru orbitalnih premikov

17. Elektroni v DNA zanki: • Da dobimo lastne energije elektrona rešujemo stacionarno Schrödingerjevo enačbo za gibanje skoraj prostih elektronov v prostoru zanke z dolžino L • Model Hamiltonove funkcije za tako gibanje elektronov lahko zapišemo: • Kjer sta potenciala periodična na obhod elektrona: in

18. Za bakterijo E coli je povprečna dolžina zanke: • Magnetni potencial zaključene zanke lahko zapišemo: • Zgornjo Hamiltonovo funkcijo ponovno zapišemo kot: • kjer za magnetni potencial upoštevamo samo konstantni člen (saj )

19. S periodičnimi robnimi pogoji na obhod elektrona za potencial in valovno funkcijo: ) • Lastne energije so kar običajni kvantni energijski nivoji „prostih“ elektronov: za • Frekvence prehoda med sosednjima nivojema: kjer je

20. Magnetni moment: • Orbitalni magnetni moment elektrona, ki se giblje okrog zanke DNA, lahko razumemo kot: • povprečna hitrost elektronov okrog zanke določa el. tok • kjer je Tn=1/fn čas v katerem elektron enkrat obkroži zanko • magnetni moment m kroži po tokovni zanki okrog vektorskega območja S, kar pomeni da je povprečni magnetni moment:

21. Če se biološki vzorec nahaja v magnetnem polju Bje magnetni pretok ki bo tekel skozi DNA zanko: • Orbitalni elektronski energijski nivoji se periodično odzivajo na pretok, natančneje na periodo kvanta magnetnega pretoka: • Periodičnost energijskih nivojev je tako: • Tu je kvant magnetnega pretoka dvakratna vrednost tistega pri superprevodnikih (q=2e)

22. Različne bakterije sevajo različne spektre, odvisno od usmeritve DNA zanke v vektorskem območju Sin magnetnega polja B. Iz periodičnega toka in indukcijskega zakona: • Dobimo modulirane robove na elektronskem spektru frekvenc. Inducirana napetost določene iz indukcijskega zakona okoli DNA zanke da spremembo frekvence: • AM frekvenčni signali se pojavijo pri elektronskih prehodih med energijskimi stanji. FM modulacija signala pa se pojavi zaradi inducirane napetosti po indukcijskem zakonu.

23. Shema meritve EM sevanja: • Postavitev eksperimenta: • Indukcijska tuljava iz bakra • Vzorec v plastični epruveti • Ojačevalec • Računalnik

24. Rezultati meritev: • 2a–dejanska meritev (2 do 6 s) • 2b-izčrpna analiza signala(skala v ms) • 2c-3D fourierjeva transformacija (abscisa: 0-20kHz ordinata: relativna intenziteta) • 2d-spektralni pogled fourierjeve transformacije Meritev na mikoplazmi pirum

25. Morebitne posledice: • Znanstveniki domnevajo, da bakterije na ta način »brezžično« komunicirajo v bakterijskih skupnostih. • Mogoče bi bilo določiti dolžino DNA, neposredno iz meritev frekvenc; organizme ne moremo opredeliti glede na dolžino DNA • Neinvazivno delno določanje DNA strukture bi močno uplivale na biološke in medicinske teste • Zanimivo bi bilo ne samo „prisluškovati“ DNA, pač pa z uporabo zunanjih, časovno spreminjajočih se polj vzbujati DNA v resonančne frekvence, kakšen učinek bi imelo tako vzbujanje na žive celice pa še zdaleč ni jasno, predvidljivo • ...

26. Povzetek: • Prevodnost DNA je odvisna: • Temperature • Zunanjega el polja • Frekvence • Mehanizem poskočne vrzeli • Em sevanje DNA • Lastna stanja elektrona • Magnetni moment elektrona • Meritve EM sevanja