Det är inte lätt att driva långa molekylkedjor - som DNA - genom en "nanopor" (en por som bara är några miljondelar av en millimeter bred) eftersom de tenderar att trassla ihop sig. En simulering utförd av en internationell grupp forskare - bland vilka SISSA-forskare - har föreslagit en lösning:det är bättre att "dra" försiktigt utan att använda för mycket kraft, annars skulle molekylen kunna stoppas på grund av överdriven friktion. Det är en viktig observation för att skapa innovativa DNA-sekvenseringsmetoder.

När nanotekniken utvecklas, det blir allt viktigare att i detalj känna till dynamiken i nanovärlden (världen i en skala av en miljondels millimeter). Vad händer, till exempel, när vi försöker driva en polyelektrolyt (en lång kedja av elektriskt laddade molekyler, såsom DNA) genom en nanopor om knutar gör att translokationsprocessen fastnar? Det är ingen meningslös fråga, för nu är en ny DNA-sekvenseringsmetod för att elektrokemiskt analysera varje enskild sträng genom att driva den genom en nanopor, håller på att utvecklas. Eftersom de här trådarna tenderar att trassla ihop sig om de är väldigt långa, Angelo Rosa från International School for Advanced Studies och hans kollegor satte sig för att studera dynamiken i denna translokation teoretiskt, genom att genomföra en simulering.

Modellen som forskarna har valt har visat att stopp inte orsakas av blotta närvaron av knuten, men genom förhållandet mellan friktion och kraften som appliceras för att driva molekylen in i gapet." Resultatet är inte så uppenbart om man jämför med vad som händer på makronivå, " förklarade Cristian Micheletti, forskare vid SISSA och en av författarna till artikeln publicerad i Fysiska granskningsbrev . "Knutar introducerar en effektiv friktion som ökar med den applicerade kraften och drar polymeren till andra sidan av nanoporen. Translokation stoppas bara över en tröskelkraft".

"Enligt vad vi observerade i simuleringen, för att undvika obstruktion av poren och stopp av translokationen, kraften som appliceras bör kontrolleras, utan att dra för mycket" förklarade Rosa.

Denna studie är bara ett första steg. För kvantitativa detaljer om denna process (vilken denna tröskel är och hur kraften ska mätas ut för att maximera effektiviteten av denna sekvenseringsmetod) kommer mer djupgående undersökningar att behövas både på den teoretiska (modellen utvecklad av Rosa, Di Ventra och Micheletti är mesoskopisk, inte atomistisk) och på experimentnivå.

Mer i detalj…

Nanoporesequencing är en innovativ teknik, ett alternativ till mer traditionella metoder som PCA. Denna metod innebär att separera de två nukleobassträngarna som utgör dubbelhelixen i DNA:t och analysera dem en efter en. Varje sträng drivs genom en nanopor när de elektriska variationerna i translokationen registreras. Det är en elektrokemisk metod:förändringar i det elektriska fältet ger information om den kemiska sammansättningen av molekylen som drivs genom poren och sammansättningen rekonstrueras på så sätt. Hittills har denna metod gett goda resultat med korta DNA-fragment, medan svårigheter har stött på under längre tider, på grund av knutarna. Det är därför studier som Rosa, Di Ventra och Micheletti's är ett viktigt steg för att öka dess effektivitet.