Viskösa nanoporer, små hål punkterade i vätskemembran, kollapsa enligt en universell lag, en studie från Purdue University visar. Fyndet kan förbättra utformningen av nanoporer för snabba, billig DNA -analys och belyser porernas biologi i cellmembranen.
Vanligtvis bara tillräckligt stor för att en enda DNA -sträng ska passera igenom, viskösa nanoporer är kraftfulla molekylsensorer och har tillämpningar inom många teknikområden. Små porer dras ofta ihop för att minimera ytenergi, ett beteende som spelar en nyckelroll i natur och teknik. Men att visualisera hur nanoporer krymper och kollapsar är svårt efter att deras radie dras ihop mindre än 10 nanometer, tusentals gånger mindre än en röd blodkropp.
Carlos Corvalan, docent i livsmedelsvetenskap, och hans team använde högupplösta datasimuleringar för att få en inblick i fysiken som styr stängningen av nanoporer. Simuleringarna visade att nanoporer kollapsar efter en universell lag som skalas efter porradien.
"Med denna kunskap, vi kan designa bättre och billigare sätt att göra nanoporer som påskyndar DNA -analys, "Corvalan sa." Detta kan också öppna dörren för att förstå hur porerna i cellmembranen beter sig. "
Nanoporer borrade genom ett kiselark ger en snabb, kostnadseffektivt sätt att analysera DNA, RNA och proteiner, som "läses" när de passerar genom poren.
En utmaning med denna teknik, dock, är att nanoporer är för små för att göras. Istället, forskare gör ett större hål och krymper det gradvis, stannar när den når önskad storlek. Denna process skulle kunna optimeras om fysiken som styr nanopores kollaps tydligt förstod.
Corvalans team använde en Purdue -superdator för att avslöja nanoskala detaljerna om vad som händer inuti poren när den stängs. Använda data som initial porradie, formen och tjockleken på membranet gjorde att datorn kunde simulera en pors kollaps och visade teamet den fysik som ligger till grund för processen.
"Datorsimuleringar hjälper till att komplettera det vi inte kan mäta, "sa han." Vissa saker som händer på ytan kan mätas, och om vi kan reproducera dem, Vi är mer säkra på att de andra sakerna vi ser i simuleringen kommer att vara korrekta. "
Till lagets förvåning, kollaps av en por följer en universell lag baserad på porens initiala radie. Denna lag beskriver kollapsen av en viskös nanopor oavsett dess form - sfärisk, cylindrisk, triangulär - eller tjockleken på det vätskeformiga arket som omfattar det.
"Det fina med den universella lagen är att efter en kort övergång i början, allt kollapsar enligt en konstant hastighet, "sa Corvalan, som också är artighet docent i jordbruk och biologisk teknik.
Fyndet erbjuder forskare möjligheten att finjustera processen att skapa porer som nanosensorer och kan också hjälpa biologer att förstå hur nanoporer i cellmembran fungerar. Nanoporer fungerar som cellernas anslutning till omvärlden, möjliggör utbyte av material mellan en cell och dess yttre.
En metod för att förstöra skadliga mikroorganismer som matpatogener är att göra hål i bakteriemembran, en process som kallas elektroporering. Om hålet är för litet, dock, det kan kollapsa och läka snarare än att öppna bredare, dödar patogenen.
Vad får en nanopore att kollapsa? Svaret ligger i en grundläggande fysikprincip:Om inte yttre krafter arbetar, allt försöker använda så lite energi som möjligt. Om en por är tillräckligt liten, det kommer att kollapsa på grund av ytspänning. Om det är för stort, då kräver öppning bredare mindre energi än stängning.
"Det är därför som du punkterar en bubbla, det kommer att gå sönder, "Corvalan sa." Och det är därför om poren i ett bakteriecellmembran är tillräckligt stor, cellen kommer att dö. "
Jiakai Lu, en postdoktor i livsmedelsvetenskap, och Jiayun Yu, en biologisk ingenjörsexamen, var också medförfattare till studien.
Tidningen publicerades i Journal of the American Chemical Society och är tillgänglig för tidningsabonnenter och läsare på campus på pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.langmuir.5b01484
