Slikkepinde og isfiskeri:Molekylære linealer, der bruges til at undersøge Nanopores

(PhysOrg.com)-Ved hjælp af et par eksotiske teknikker, herunder en molekylær version af isfiskeri, et team af forskere, der arbejder ved National Institute of Standards and Technology, har udviklet metoder til nøjagtigt at måle længden af ​​"nanoporer, ”De minimale kanaler, der findes i cellemembraner. De "molekylære linealer", de beskriver i et nyligt papir*, kunne tjene som en måde at kalibrere skræddersyede nanoporer-hvis diametre i gennemsnit er næsten 10, 000 gange mindre end et menneskehår - til en række forskellige applikationer, såsom hurtig DNA -analyse.

Undersøgelser ved NIST og andre forskningsinstitutioner har vist, at en enkelt nanometer-skala i en tynd membran kan bruges som et "miniatureanalyselaboratorium" til at detektere og karakterisere individuelle biologiske molekyler, såsom DNA eller toksiner, når de passerer igennem eller blokerer passagen . Et sådant system kan muligvis passe på en enkelt mikrochip -enhed, til en lang række applikationer. Imidlertid, at gøre mini-laboratoriet praktisk kræver en nøjagtig definition af nanoporens dimensioner og strukturelle egenskaber.

I nye forsøg, forskere fra NIST og University of Maryland byggede først en membran - et to -lags ark af lipidmolekyler - svarende til den, der findes i dyreceller. De "borede" en pore i den med et protein ** designet specielt til at trænge ind i cellemembraner. Når der påføres spænding over membranvæggen, ladede molekyler, såsom enkeltstrenget DNA, tvinges ind i nanoporen. Når molekylet passerer ind i kanalen, ionstrømmen reduceres i en tid, der er proportional med kædens størrelse, gør det let at aflede dens længde.

Hvis en kæde er lang nok til at nå den smalleste del af nanoporen - kendt som knivpunktet - vil kraften i det elektriske felt bagved skubbe molekylet videre gennem resten af ​​kanalen. Udnytter denne egenskab, NIST/Maryland -teamet udviklede en DNA -sondemetode til at måle afstandene fra åbningerne på hver side af membranen til klempunktet, og til gengæld, hele nanoporens længde ved at tilføje de to målinger sammen. Proberne består af DNA -tråde med kendte længder toppet i den ene ende af en polymersfære. Kuglen forhindrer sonden i at bevæge sig fuldstændigt gennem nanoporen, mens DNA -kæden hænger frit fra den for at strække sig ind i kanalen. Hvis kæden når knivpunktet, den kraft, der normalt ville drive en fri DNA -kæde forbi krydset i stedet holder sonden på plads (da polymersfæren "låser" den i den anden ende) og definerer afstanden til knivpunktet. Hvis kæden er kortere end afstanden til knivpunktet, det vil blive hoppet ud af nanoporen, fortæller forskere, at en kæde med længere længde er nødvendig for at måle afstanden til hullet.

NIST/Maryland -forskerne udviklede også et andet middel til at måle nanoporens længde for at bekræfte resultaterne af metoden "single lollipop". I dette system, polymermolekyler får lov at cirkulere frit i opløsningen, der findes på membrans inderside. Polymerbegrænsede DNA-prober af forskellig længde tvinges en ad gangen ind i nanoporen fra den modsatte side. Hvis enden af ​​en sondekæde er lang nok til helt at krydse kanalen, det vil gribe fat i et frit polymermolekyle i opløsning. Dette definerer kanalens længde.

Derudover denne ”isfiskerimetode” giver indsigt i strukturen af ​​nanoporen. Når DNA -kæden snor sig igennem, ændringer i elektrisk spænding svarer til kanalens ændrede form. Disse oplysninger kan bruges til effektivt at kortlægge passagen.