(PhysOrg.com) -- Polymertrådar slingrar sig igenom nanometerstora porer i ett membran för att ta sig härifrån till dit och göra sitt jobb. Ny teoretisk forskning från Rice Universitys forskare kvantifierar exakt hur lång tid resan tar.
Det är bra att veta för forskare som studerar transporten av RNA, DNA och proteiner-som alla räknas som polymerer-eller de som utvecklar membran för användning i biosensorer eller som läkemedelsleveransanordningar.
Forskare under ledning av Anatoly Kolomeisky, en docent i kemi och i kemisk och biomolekylär teknik, har kommit fram till en teoretisk metod för att beräkna den tid det tar för långkedjiga polymerer att translokera genom nanostorlekar i membran, som den som separerar kärnan i en cell från omgivande cytoplasma. RNA -molekyler måste göra denna intracellulära resa, liksom proteiner som passerar genom cellens yttre membran för att utföra uppgifter i kroppen.
Primärförfattaren Kolomeisky rapporterade resultaten denna månad i Journal of Chemical Physics . Medförfattare till studien inkluderar Aruna Mohan, en tidigare postdoktor vid Rice och nu forskare vid Exxon-Mobil, och Matteo Pasquali, professor i kemi och biomolekylär teknik och kemi.
Teamet studerade translokationen av en lång polymermolekyl, som ungefär liknar pärlor på ett snöre, genom två typer av nanoporgeometrier:en cylinder och en tvåcylindrig komposit som liknade ett stort rör kopplat till ett litet rör. Inte överraskande, de fann att en polymer passerade snabbare när den kom in i kompositen genom den breda änden.
"Vi antar att polymeren är relativt stor i jämförelse med porens storlek, vilket är realistiskt, " Kolomeisky sa om processen, vilket liknar att trä ett rep genom ett titthål. "En typisk DNA -sträng kan vara tusen nanometer lång, och poren kan ha en längd på några nanometer. "
Det har varit känt sedan länge att polymerer inte bara flyger genom en por, även när de hittar öppningen. De startar. De slutar. De börjar igen. Och när den främre änden väl har gått in i en por, den kan backa ut. Polymerer skakar ofta bakåt och framåt när de går genom en por, ständigt omkonfigurera sig själva.
"Tidigare teoretiker trodde att så snart den ledande änden nådde kanalen, hela polymeren skulle gå igenom, " sa han. "Vi säger att det går fram och tillbaka många gånger innan det äntligen går över."
Nyckeln till en exakt beskrivning av polymertranslokation med enmolekylär precision är att mäta elektriska strömmar som går genom porerna. "När strömmen är hög, det finns ingen polymer i kanalen. När strömmen är nere, det är i poren och blockerar flödet, " han sa.
Experiment tyder på att typiska DNA- och RNA -molekyler kan passera genom ett membran på några millisekunder, beroende på styrkan hos det elektriska fältet som driver dem. Men även det, han sa, är mycket längre än forskare tidigare trott.
Kolomeisky sa att den nya metoden fungerar för porer av vilken geometri som helst, om de är raka, koniska eller gjorda av sammanfogade cylindrar av olika storlekar, som den biologiska hemolysinkanalen de simulerade i sin forskning.
Beräkningarna gäller såväl naturliga som konstgjorda porer, vilket han sa skulle vara viktigt för forskare som tillverkar membran för läkemedelstillförsel, biosensorer eller vattenreningsprocesser, eller forska på nya metoder för att sekvensera DNA.
