El ADN como filtro de espín electrónico.

En los procesos de transferencia de electrones, los efectos del espín se observan o en materiales magnéticos o en sistemas que contienen átomos pesados que facilitan el acoplamiento espín-orbital. Ahora, un equipo de investigadores encabezado por Benjamin Göhler, de la Universidad de Münster (Alemania), publica en Science los resultados de un estudio según el cual se produce una transmisión de electrones selectiva en función del espín en monocapas de ADN depositadas en oro. Se abre una nueva era para la espintrónica.

Se tiene por asumido que los fenómenos cuánticos tienen lugar en sistemas diminutos: átomos individuales, o moléculas pequeñas. De hecho, para investigarlos, los científicos la mayor parte de las veces deben enfriar el material objeto de investigación a temperaturas cercanas al cero absoluto. Una vez que el sistema excede cierto tamaño o rebasa cierta temperatura, sus propiedades cuánticas colapsan y la física newtoniana ordinaria toma el relevo.

Las moléculas biológicas son bastante grandes, algunas gigantescas en términos atómicos, y suelen estar y ser estables a temperaturas mucho más altas de las que se emplean en los experimentos cuánticos. Dadas estas circunstancias no parece irrazonable pensar que el fenómeno cuántico del espín, que tiene dos estados opuestos, se vería completamente diluido en estas moléculas y, por lo tanto, sería irrelevante para su función.

Y eso sería así si las moléculas biológicas no tuviesen otra propiedad: son quirales. En otras palabras, son como las manos, o derechas o izquierdas, y no se pueden superponer una sobre otra. Las moléculas de ADN, que tienen dos cadenas (son dobles hélices), son doblemente quirales, tanto en la disposición de las cadenas individuales como en el giro de las hélices. De estudios anteriores se sabía que quiralidades diferentes interaccionan de forma también diferente con los distintos espines. Los investigadores querían averiguar si el ADN y su doble quiralidad presentaba alguna propiedad selectiva de espín. Esto es, si los electrones con determinado espín atraviesan la molécula con más facilidad.

Los científicos fabricaron monocapas de ADN unidas a un sustrato de oro. Expusieron entonces las muestras a haces de electrones no polarizados (con ambas direcciones de espín presentes) y los resultados fueron sorprendentes. Las moléculas biológicas reaccionaron fuertemente con los electrones que presentaban un determinado espín, y muy poco con los otros. Cuanto más larga era la molécula, más eficiente era a la hora de seleccionar electrones con el espín deseado, mientras que las cadenas dañadas o los trocitos de ADN no presentaban esta propiedad. Estos resultados implican que la capacidad para seleccionar electrones de un determinado espín reside en la naturaleza quiral de la molécula de ADN.

De hecho, según los investigadores, el ADN resulta ser un magnífico “filtro de espín”, y este descubrimiento podría tener relevancia tanto biomédica como en el campo de la espintrónica. Si estudios ulteriores ponen de manifiesto que el ADN sólo sufre daños por parte de partículas con determinado espín, entonces la exposición podría reducirse y se podrían diseñar dispositivos médicos/preventivos que tengan en cuenta este efecto. Por otro lado, el ADN y otras moléculas biológicas podrían convertirse en una característica central de un nuevo tipo de dispositivos espintrónicos, que funcionarían basándose en el espín de la partícula en vez de en su carga eléctrica, tal y como hacen hoy.

Referencia:

Göhler B, Hamelbeck V, Markus TZ, Kettner M, Hanne GF, Vager Z, Naaman R, & Zacharias H (2011). Spin selectivity in electron transmission through self-assembled monolayers of double-stranded DNA. Science (New York, N.Y.), 331 (6019), 894-7 PMID: 21330541