Kom ihåg Slinky, den spiralformade metallfjädern som "går" nerför trappor med bara ett tryck, momentum och gravitation? Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat sin egen version av denna klassiker – om än 10 miljoner gånger mindre – som en ny teknik för att manipulera och mäta DNA-molekyler och andra material i nanoskala (miljarddels meter).

I den första av två senaste tidningar*, Samuel Stavis, Elizabeth Strychalski och kollegor visade att en vätskekanal i nanoskala formad som en trappa med många steg (utvecklad tidigare vid NIST och Cornell University) kan användas för att kontrollera den annars slumpmässiga driften av en DNA-molekyl genom en vätska. Inklämd i det grundaste steget högst upp i trappan, en DNA-sträng diffunderar slumpmässigt över det steget. DNA-molekylen försöker öka sin entropi – den universella tendensen till störningar i ett system – genom att lindra dess inneslutning, och därför, "går" ner på nästa djupare steg när den når kanten. Molekylens rörelse nerför trappan, som forskarna kallade "entropophoresis" (entropidriven transport), slutar när den fastnar i det djupaste steget längst ner. Eftersom denna rörelse liknar en Slinky, forskarna gav sitt system smeknamnet "nanoslinky." Forskarna fann att DNA-molekyler av olika storlekar och former gick ner för trappan i olika hastigheter - vilket tyder på att strukturen kan användas för att separera, koncentrera och organisera blandningar av föremål i nanoskala.

Stavis säger att denna nya teknologi ger fördelar jämfört med traditionella nanofluidiska metoder för att manipulera och mäta DNA. "Kontroll över beteendet hos en DNA-molekyl är inbyggd i trappuppbyggnaden. Efter att ha placerat molekylen på det översta steget [genom att driva DNA-strängen uppför trappan med ett elektriskt fält], inga yttre krafter behövs för att få den att röra sig, säger Stavis. "Trappan är en passiv nanofluidisk teknologi som automatiserar komplexa manipulationer och mätningar av DNA."

Detta NIST-framsteg inom nanofluidisk teknologi passar bra ihop med en NIST-innovation inom mätvetenskap – specifikt, bestämma storleken på en DNA-molekyl i nanofluidisk "slitliknande inneslutning" som åläggs av det smala gapet mellan golvet i varje steg och taket i kanalen. I "nanoslinky"-systemet, Strychalski förklarar, den ihoprullade och vikta DNA-strängen drar ihop sig successivt när den rör sig nedför stegen. "Eftersom det finns många steg, vi kan göra mer detaljerade mätningar än tidigare studier, " säger hon.

Att få ut det mesta av dessa mätningar var målet med forskningen som rapporterades i NIST-teamets andra artikel.** "Utmaningen var att göra våra mätningar av DNA-storlek mer kvantitativa, ” säger Strychalski.

Tidigare mätningar av DNA-dimensioner i nanofluidiska system, Strychalski säger, har begränsats av avbildningsfel från de optiska mikroskop som används för att mäta dimensionerna på DNA-molekyler märkta med ett fluorescerande färgämne. "Det första problemet är diffraktionsgränsen, eller den optiska upplösningen, av fluorescensmikroskopet, " säger hon. "Det andra problemet är kamerans pixelupplösning. Eftersom en DNA-molekyl inte är mycket större än ljusets våglängd och den effektiva pixelstorleken, bilder av fluorescerande DNA-molekyler är suddiga och pixlade, och detta ökar den skenbara storleken på molekylen."

För att förbättra sina mätningar av DNA-molekyler under deras nedstigning, NIST-forskarna använde modeller för att approximera effekterna av diffraktion och pixilering. Att tillämpa dessa "numeriska simuleringar" på bilderna av DNA-molekyler inneslutna av trappan gjorde de slutliga mätningarna av DNA-storleken till de mest kvantitativa hittills. Dessa mätningar visade också att det krävs mer arbete för att helt förstå detta komplicerade system.

Enligt Stavis och Strychalski, trappan är en enkel prototyp av en ny klass av konstruerade nanofluidiska strukturer med komplexa tredimensionella ytor. Med ytterligare förbättringar, Tekniken kan en dag massproduceras för att mäta och manipulera inte bara DNA-molekyler, men andra typer av biopolymerer och material i nanoskala för hälsovård och nanotillverkning.