Viskøse nanoporer kollapser ifølge universel lov

Viskøse nanoporer, små huller punkteret i væskemembraner, kollapse ifølge en universel lov, viser en undersøgelse fra Purdue University. Fundet kunne forbedre designet af nanoporer til hurtig, billig DNA-analyse og kaster lys over biologien af ​​porer i cellemembraner.

Typisk lige stor nok til at tillade en enkelt DNA-streng at passere igennem, tyktflydende nanoporer er kraftfulde sensorer af molekyler og har anvendelser inden for mange teknologiområder. Små porer trækker sig ofte sammen for at minimere overfladeenergi, en adfærd, der spiller en nøglerolle i naturen og teknologien. Men det er svært at visualisere, hvordan nanoporer krymper og kollapser, efter at deres radius trækker sig sammen mindre end 10 nanometer, tusindvis af gange mindre end et rødt blodlegeme.

Carlos Corvalan, lektor i fødevarevidenskab, og hans team brugte high-fidelity computersimuleringer til at få et indblik i den fysik, der styrer lukningen af ​​nanoporer. Simuleringerne viste, at nanoporer kollapser efter en universel lov, der skaleres i henhold til poreradius.

"Med denne viden, vi kunne designe bedre og billigere måder at lave nanoporer på, der vil fremskynde DNA-analyse, " sagde Corvalan. "Dette kunne også åbne døren til at forstå, hvordan porer i cellemembraner opfører sig."

Nanoporer boret gennem et ark silicium giver en hurtig, omkostningseffektiv måde at analysere DNA på, RNA og proteiner, som "læses", når de passerer gennem poren.

En udfordring ved denne teknologi, imidlertid, er, at nanoporer er for små til at blive lavet. I stedet, forskere laver et større hul og krymper det gradvist, stopper, når den når den ønskede størrelse. Denne proces kunne optimeres, hvis den fysik, der styrer kollapsen af ​​nanoporer, blev klart forstået.

Corvalans team brugte en Purdue-supercomputer til at afdække detaljerne i nanoskalaen af, hvad der sker inde i poren, når den lukker. Brug af data såsom initial poreradius, formen og tykkelsen af ​​membranen tillod computeren at simulere en pores kollaps og viste holdet den fysik, der ligger til grund for processen.

"Computersimuleringer hjælper med at supplere det, vi ikke kan måle, " sagde han. "Nogle ting, der sker ved overfladen, kan måles, og hvis vi kan reproducere dem, vi er mere sikre på, at de andre ting, vi ser i simuleringen, vil være korrekte."

Til holdets overraskelse, kollaps af en pore følger en universel lov baseret på porens initiale radius. Denne lov beskriver kollapset af enhver viskøs nanopore uanset dens form - sfærisk, cylindrisk, trekantet - eller tykkelsen af ​​det flydende ark, der omslutter det.

"Det skønne ved den universelle lov er, at efter en kort overgang i begyndelsen, alt kollapser med en konstant hastighed, " sagde Corvalan, der også er høflighedslektor i landbrugs- og biologisk teknik.

Fundet giver forskere mulighed for at finjustere processen med at skabe porer som nanosensorer og kan også hjælpe biologer med at forstå, hvordan nanoporer i cellemembraner fungerer. Nanoporer tjener som cellers forbindelse til omverdenen, muliggør udveksling af materialer mellem en celle og dens ydre.

En metode til at ødelægge skadelige mikroorganismer såsom fødevarepatogener er at lave huller i bakterielle membraner, en proces kendt som elektroporation. Hvis hullet er for lille, imidlertid, det kan kollapse og hele i stedet for at åbne sig bredere, dræber patogenet.

Hvad får en nanopore til at kollapse? Svaret ligger i et grundlæggende fysikprincip:Medmindre ydre kræfter er på arbejde, alt forsøger at bruge så lidt energi som muligt. Hvis en pore er lille nok, det vil kollapse på grund af overfladespænding. Hvis den er for stor, så kræver det mindre energi at åbne bredere end at lukke.

"Det er derfor, når du punkterer en boble, det vil gå i stykker, " sagde Corvalan. "Og det er derfor, hvis poren i en bakteriel cellemembran er stor nok, cellen vil dø."

Jiakai Lu, en postdoc forsker i fødevarevidenskab, og Jiayun Yu, en biologisk ingeniøruddannelse, var også medforfatter til undersøgelsen.

Avisen blev udgivet i Journal of the American Chemical Society og er tilgængelig for tidsskriftsabonnenter og læsere på campus på pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.langmuir.5b01484