Forskning som presenteras i en ny artikel, medförfattare av Northwestern University, docent i maskinteknik Sandip Ghosal, kastar nytt ljus över hur polymerer korsar små porer tio tusen gånger mindre än ett människohår.
Dessa fynd kan driva fram en djupare förståelse av biofysiken hos levande celler, mätning av polymeregenskaper i olika kemiska industrier som plasttillverkning och livsmedelsförädling, och design av biosensorer.
I tidningen publicerad 30 augusti in Naturkommunikation , Ghosal och hans medförfattare presenterar data som visar hur hastigheten på DNA förändras när det kommer in i eller ut ur en nanopore. Förvånande, experimentet visade att DNA-molekyler rör sig snabbare när de går in i en nanopore (translokation framåt) och långsammare när de går ut (translokation bakåt).
Vad händer med DNA, Ghosal förklarar, är något som är bekant för maskiningenjörer:ett koncept som kallas "buckling, "studerades av stora forskare som Leonhard Euler och Daniel Bernoulli för mer än två århundraden sedan, men studerade sällan på molekylär nivå.
Ghosal och hans medarbetare drog slutsatsen att DNA-molekyler bucklas under påverkan av tryckkrafter när de kommer in i nanopore, men dras rakt av dragkrafter när de rör sig i motsatt riktning. Den resulterande skillnaden i den geometriska konfigurationen resulterar i ett större hydrodynamiskt motstånd på molekylen i det senare fallet.
Studien motiverades av en önskan att förstå, i detalj, mekaniken för en DNA-molekyls passage genom en nanopor, ett ämne med rik vetenskaplig nyfikenhet och gissningar.
"Vi ville veta vad som händer med DNA:t och varför, säger Ghosal, som även innehar en artighetstjänst vid Institutionen för ingenjörsvetenskap och tillämpad matematik.
Istället för att bara bestämma DNA:s genomsnittliga translokationshastighet, Ghosals U.K.-baserade medarbetare – Ulrich F. Keyser, Maria Ricci, Kaikai Chen från University of Cambridge, och Nicholas A.W. Klocka, nu vid University of Oxford -designade ett innovativt experiment för att avslöja den faktiska variationen av DNA:s hastighet genom att infoga markörer längs DNA-molekylen. Denna "DNA-linjal" gjorde det möjligt för forskarna att mäta translokationshastigheten vid varje ögonblick. För att sedan samla in stora mängder data inom en relativt kort tidsperiod, forskarna vände upprepade gånger spänningen över poren, skicka DNA in och ut ur nanoporen i ett "pingis"-läge.
Gruppens arbete bygger på tekniken "resistiv puls" som introducerades för nästan 20 år sedan för att detektera och karakterisera enstaka molekyler. Den idén har sedan tillämpats på en mängd olika forskning, inklusive sökandet efter en ultrasnabb metod för DNA-sekvensering och ansträngningen att snabbt mäta cellers mekaniska egenskaper.
Ghosal beskriver sitt teams arbete som ett potentiellt "första steg i att utöka den resistiva pulsmetoden till att bestämma polymerernas mekaniska egenskaper."
Även om Ghosal medger att arbetet i sig är rent nyfikenhetsdriven forskning utformad för att undersöka vad mer som kan göras med den resistiva pulstekniken, fynden kan ändå ha verkliga tillämpningar inom alla områden där mätningen av polymeregenskaper är viktig.
"Varje polymer har en karakteristisk belastning vid vilken den bucklas och, därför, skillnaden mellan translokationstiderna framåt och bakåt ger ett sätt att mäta böjstyvheten hos polymerer, " sa Ghosal. "Det är otroligt spännande att vi nu kan observera detta, " säger Ghosal.
