Træk med forsigtighed:En DNA-streng skal køres forsigtigt gennem en nanopore

Det er ikke let at drive lange molekylekæder - såsom DNA - gennem en "nanopore" (en pore, der kun er få milliontedele af en millimeter bred), fordi de har en tendens til at vikle sig sammen. En simulering udført af en international gruppe af videnskabsmænd - blandt hvilke SISSA-forskere - har foreslået en løsning:det er bedre at "trække" forsigtigt uden at bruge for meget kraft, ellers kunne molekylet stoppes på grund af overdreven friktion. Det er en vigtig observation for at skabe innovative DNA-sekventeringsmetoder.

Efterhånden som nanoteknologien udvikler sig, det bliver stadig vigtigere at kende i detaljer dynamikken i nanoworlden (verden i størrelsesordenen en milliontedel af en millimeter). Hvad der sker, for eksempel, når vi forsøger at drive en polyelektrolyt (en lang kæde af elektrisk ladede molekyler, f.eks. DNA) gennem en nanopore, hvis knuder får translokationsprocessen til at klemme? Det er ikke et meningsløst spørgsmål, fordi nu en ny DNA-sekventeringsmetode til elektrokemisk at analysere hver enkelt streng ved at køre den gennem en nanopore, er under udvikling. Da disse tråde har en tendens til at vikle sig sammen, hvis de er meget lange, Angelo Rosa fra International School for Advanced Studies og hans kolleger satte sig for at studere dynamikken i denne translokation teoretisk, ved at udføre en simulering.

Den model, som forskerne har valgt, har vist, at jamming ikke er forårsaget af blotte tilstedeværelse af knuden, men af ​​forholdet mellem friktion og den kraft, der påføres for at drive molekylet ind i mellemrummet." Resultatet er ikke så indlysende, hvis man sammenligner med, hvad der sker på makroniveau, " forklarede Cristian Micheletti, forsker ved SISSA og en af ​​forfatterne til papiret udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve . "Knuder introducerer en effektiv friktion, der øges med den påførte kraft og trækker polymeren til den anden side af nanoporen. Translokation standses kun over en tærskelkraft".

"I henhold til hvad vi observerede i simuleringen, for at undgå obstruktion af poren og standsning af translokationen, den anvendte kraft skal kontrolleres, uden at trække for meget" forklarede Rosa.

Denne undersøgelse er kun et første skridt. For kvantitative detaljer om denne proces (hvad denne tærskel er, og hvordan kraften skal måles for at maksimere effektiviteten af ​​denne sekventeringsmetode) vil der være behov for mere dybdegående undersøgelser både ved den teoretiske (modellen udviklet af Rosa, Di Ventra og Micheletti er mesoskopisk, ikke atomistisk) og på eksperimentelt niveau.

Mere i detaljer…

Nanoporesequencing er en innovativ teknik, et alternativ til mere traditionelle metoder som PCA. Denne metode indebærer at adskille de to nukleobasestrenge, som udgør den dobbelte helix af DNA'et og analysere dem en efter en. Hver streng drives gennem en nanopore, da de elektriske variationer i translokationen registreres. Det er en elektrokemisk metode:Ændringer i det elektriske felt giver information om den kemiske sammensætning af det molekyle, der drives gennem poren, og sammensætningen er således rekonstrueret. Indtil nu har denne metode givet gode resultater med korte DNA -fragmenter, mens der er stødt på vanskeligheder i længere tid, på grund af knuderne. Det er derfor undersøgelser som Rosa, Di Ventra og Micheletti's er et vigtigt skridt for at øge effektiviteten.