Nanoslinky:En ny nanofluidisk teknologi til DNA-manipulation og -måling

Husk Slinky, den oprullede metalfjeder, der "går" ned ad trapper med blot et tryk, momentum og tyngdekraft? Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet deres egen version af denne klassiker - om end 10 millioner gange mindre - som en ny teknologi til manipulation og måling af DNA-molekyler og andre nanoskala (milliardtedel af en meter) materialer.

I den første af to nylige aviser*, Samuel Stavis, Elizabeth Strychalski og kolleger viste, at en nanoskala fluidkanal formet som en trappe med mange trin (udviklet tidligere ved NIST og Cornell University) kan bruges til at kontrollere den ellers tilfældige drift af et DNA-molekyle gennem en væske. Klemt ind i det laveste trin øverst på trappen, en DNA-streng diffunderer tilfældigt hen over det trin. DNA-molekylet søger at øge dets entropi - den universelle tendens til uorden i et system - ved at lindre dets indespærring, og derfor, "går" ned på det næste dybere trin, når det når kanten. Molekylets bevægelse ned ad trappen, som forskerne kaldte "entropophoresis" (entropi-drevet transport), slutter, når den bliver fanget på det dybeste trin i bunden. Fordi denne bevægelse ligner en Slinky, forskerne gav deres system tilnavnet "nanoslinky." Forskerne fandt ud af, at DNA-molekyler af forskellige størrelser og former gik ned ad trappen med forskellige hastigheder - hvilket tyder på, at strukturen kunne bruges til at adskille, koncentrere og organisere blandinger af objekter i nanoskala.

Stavis siger, at denne nye teknologi giver fordele i forhold til traditionelle nanofluidiske metoder til manipulation og måling af DNA. "Kontrol over adfærden af ​​et DNA-molekyle er indbygget i trappestrukturen. Efter at have placeret molekylet på det øverste trin [ved at drive DNA-strengen op ad trappen med et elektrisk felt], ingen ydre kræfter er nødvendige for at få den til at bevæge sig, ” siger Stavis. "Trappen er en passiv nanofluidisk teknologi, der automatiserer komplekse manipulationer og målinger af DNA."

Denne NIST-fremgang inden for nanofluidisk teknologi passer fint sammen med en NIST-innovation inden for målevidenskab – specifikt, at bestemme størrelsen af ​​et DNA-molekyle i nanofluidisk "spaltelignende indeslutning" påført af det smalle mellemrum mellem gulvet i hvert trin og kanalens loft. I "nanoslinky"-systemet, Strychalski forklarer, den oprullede og foldede DNA-streng trækker sig gradvist sammen, efterhånden som den bevæger sig ned ad trinene. "Fordi der er mange trin, vi kan foretage mere detaljerede målinger end tidligere undersøgelser, ” siger hun.

At få mest muligt ud af disse målinger var målet med den forskning, der blev rapporteret i NIST-teamets andet papir.** "Udfordringen var at gøre vores målinger af DNA-størrelse mere kvantitative, " siger Strychalski.

Tidligere målinger af DNA-dimensioner i nanofluidiske systemer, Strychalski siger, er blevet begrænset af billeddannelsesfejl fra de optiske mikroskoper, der blev brugt til at måle dimensionerne af DNA-molekyler mærket med et fluorescerende farvestof. "Det første problem er diffraktionsgrænsen, eller den optiske opløsning, af fluorescensmikroskopet, ” siger hun. "Det andet problem er kameraets pixelopløsning. Fordi et DNA-molekyle ikke er meget større end lysets bølgelængde og den effektive pixelstørrelse, billeder af fluorescerende DNA-molekyler er slørede og pixilerede, og dette øger den tilsyneladende størrelse af molekylet."

For at forbedre deres målinger af DNA-molekyler under deres nedstigning, NIST-forskerne brugte modeller til at tilnærme virkningerne af diffraktion og pixilation. Anvendelse af disse "numeriske simuleringer" på billederne af DNA-molekyler indespærret af trappen gjorde de endelige målinger af DNA-størrelse til de mest kvantitative til dato. Disse målinger viste også, at der er behov for mere arbejde for fuldt ud at forstå dette komplicerede system.

Ifølge Stavis og Strychalski, trappen er en simpel prototype af en ny klasse af konstruerede nanofluidiske strukturer med komplekse tredimensionelle overflader. Med yderligere justeringer, teknologien kan en dag blive masseproduceret til at måle og manipulere ikke kun DNA-molekyler, men andre typer biopolymerer og materialer i nanoskala til sundhedspleje og nanofremstilling.