Forskere omfavner ufuldkommenhed for at forbedre biomolekyletransport

Mens du ser produktionen af ​​porøse membraner, der bruges til DNA-sortering og -sekventering, Forskere fra University of Illinois undrede sig over, hvordan små trinlignende defekter dannet under fremstillingen kunne bruges til at forbedre molekyletransporten. De fandt ud af, at defekterne - dannet af overlappende lag af membran - gør en stor forskel i, hvordan molekyler bevæger sig langs en membranoverflade. I stedet for at prøve at rette op på disse fejl, holdet satte sig for at bruge dem til at hjælpe med at lede molekyler ind i membranporerne.

Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

Nanopore-membraner har skabt interesse for biomedicinsk forskning, fordi de hjælper forskere med at undersøge individuelle molekyler - atom for atom - ved at trække dem gennem porer til fysisk og kemisk karakterisering. Denne teknologi kan i sidste ende føre til enheder, der hurtigt kan sekventere DNA, RNA eller proteiner til personlig medicin.

I 2014 University of Illinois fysikprofessor Aleksei Aksimentiev og kandidatstuderende Manish Shankla demonstrerede en grafenmembran, der kontrollerede et molekyls bevægelse gennem en nanopore ved hjælp af elektrisk ladning. De opdagede, at når først molekylerne er på overfladen af ​​membranen, det er meget svært at få dem til at blande sig ind i membranens porer, fordi molekyler gerne klæber til overfladen.

Mens han var sabbatår ved Delft University of Technology i Holland, Aksimentiev fandt ud af, at DNA har en tendens til at akkumulere og klæbe langs kanterne af fabrikationsformede defekter, der opstår som lineære trin, der spænder over membranens overflade. Illinois-holdets mål var at finde en måde at bruge disse fejl til at lede de fastsiddende molekyler ind i nanoporerne, som et princip, der også kan gælde for leveringen, sortering og analyse af biomolekyler.

For at forfine og bekræfte deres observationer, forskerne brugte Blue Waters-supercomputeren ved National Center for Supercomputing Applications i Illinois og XSEDE-supercomputeren til at modellere system- og molekylernes bevægelsesscenarier på atomniveau.

"Molekylær dynamiksimuleringer lader os se, hvad der sker, mens vi samtidig måler, hvor meget kraft der kræves for at få molekylet til at klare et trin, "Aksimentiev sagde." Vi var overraskede over at opdage, at det kræver mindre kraft at flytte et molekyle et trin ned end op. Selvom det kan virke intuitivt, at tyngdekraften ville gøre det nemmere at trappe ned, det er ikke tilfældet her, fordi tyngdekraften er ubetydelig på nanoskala, og den kraft, der kræves for at bevæge sig op eller ned, bør være den samme."

Aksimentiev sagde, at teammedlemmer oprindeligt troede, at de kunne bruge koncentriske defektmønstre, der dannes omkring porerne til at tvinge molekylerne ned, men deres simuleringer viste, at molekylerne samles langs kanterne af trinene. Det var da det gik op for dem:En defekt med kanter, der spiraler ind i en pore, kombineret med en påført retningskraft, ville give molekylet ingen anden mulighed end at gå ind i poren - lidt som et dræn.

"Denne måde, vi kan tabe molekyler hvor som helst på membranen dækket af disse spiralstrukturer og derefter trække molekylerne ind i en pore, " han sagde.

Forskerne har endnu ikke produceret en membran med spiralfejl i laboratoriet, men den opgave kan være lettere end at forsøge at befri en grafenmembran for de nuværende molekyle-immobiliserende trindefekter, de sagde.

"Når de fremstilles i skala, defektstyret indfangning kan potentielt øge DNA-indfangningens gennemløb med flere størrelsesordener, sammenlignet med den nuværende teknologi, " sagde Shankla.

"Efter en lang udviklingsproces, vi er glade for at se dette princip bruges i en række andre materialer og anvendelser, såsom levering af individuelle molekyler til reaktionskamre til eksperimenter, " sagde forskerne.