Medan du tittar på produktionen av porösa membran som används för DNA-sortering och sekvensering, Forskare från University of Illinois undrade hur små stegliknande defekter som bildades under tillverkningen kunde användas för att förbättra molekyltransporten. De fann att defekterna – som bildas av överlappande membranlager – gör stor skillnad i hur molekyler rör sig längs en membranyta. Istället för att försöka åtgärda dessa brister, teamet satte sig för att använda dem för att hjälpa till att rikta molekyler in i membranporerna.

Deras resultat publiceras i tidskriften Naturens nanoteknik .

Nanopore-membran har skapat intresse för biomedicinsk forskning eftersom de hjälper forskare att undersöka enskilda molekyler - atom för atom - genom att dra dem genom porerna för fysisk och kemisk karakterisering. Denna teknik kan i slutändan leda till enheter som snabbt kan sekvensera DNA, RNA eller proteiner för personlig medicin.

Under 2014, University of Illinois fysikprofessor Aleksei Aksimentiev och doktorand Manish Shankla demonstrerade ett grafenmembran som kontrollerade en molekyls rörelse genom en nanopore med hjälp av elektrisk laddning. De upptäckte att när molekylerna väl är på membranets yta, det är väldigt svårt att få dem att blandas in i membranets porer eftersom molekyler gärna fastnar på ytan.

Under sabbatstiden vid Delfts tekniska universitet i Nederländerna, Aksimentiev fann att DNA tenderar att ackumuleras och fastna längs kanterna av tillverkningsformade defekter som uppstår som linjära steg som spänner över membranets yta. Illinois-teamets mål var att hitta ett sätt att använda dessa brister för att styra de fastnade molekylerna in i nanoporerna, som en princip som även kan gälla för leveransen, sortering och analys av biomolekyler.

För att förfina och bekräfta sina observationer, forskarna använde superdatorn Blue Waters vid National Center for Supercomputing Applications i Illinois och superdatorn XSEDE för att modellera scenarierna för system- och molekylrörelser på atomnivå.

"Molekylär dynamik simuleringar låter oss se vad som händer samtidigt som vi mäter hur mycket kraft som krävs för att få molekylen att klara ett steg, " sade Aksimentiev. "Vi blev förvånade över att finna att det krävs mindre kraft för att flytta en molekyl ner ett steg än uppåt. Även om det kan tyckas intuitivt att gravitationen skulle göra det lättare att avgå, det är inte fallet här eftersom gravitationen är försumbar på nanoskala, och kraften som krävs för att röra sig uppåt eller nedåt bör vara densamma."

Aksimentiev sa att teammedlemmarna ursprungligen trodde att de kunde använda koncentriska defektmönster som bildas runt porerna för att tvinga ner molekylerna, men deras simuleringar visade att molekylerna samlades längs kanterna på stegen. Det var då det gick upp för dem:En defekt med kanter som spiralformar in i en por, kombinerat med en applicerad riktningskraft, skulle ge molekylen inget annat alternativ än att gå in i poren - ungefär som ett avlopp.

"Den här vägen, vi kan släppa molekyler var som helst på membranet täckt med dessa spiralstrukturer och sedan dra in molekylerna i en por, " han sa.

Forskarna har ännu inte tagit fram ett membran med spiraldefekter i laboratoriet, men den uppgiften kan vara lättare än att försöka befria ett grafenmembran från de nuvarande molekylimmobiliserande stegdefekterna, sa de.

"När den tillverkas i stor skala, defektstyrd infångning kan potentiellt öka DNA-infångningsgenomströmningen med flera storleksordningar, jämfört med dagens teknik, sa Shankla.

"Efter en lång utvecklingsprocess, vi är glada över att se denna princip användas i en mängd andra material och tillämpningar som leverans av individuella molekyler till reaktionskammare för experiment, " sa forskarna.