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  • I ricercatori abbracciano l'imperfezione per migliorare il trasporto delle biomolecole

    Difetti di membrana ingegnerizzati in laboratorio con bordi che si muovono a spirale verso il basso darebbero biomolecole come il DNA, RNA e proteine ​​nessun'altra opzione che affondare in un nanoporo per la consegna, ordinamento e analisi. Attestazione:Manish Shankla

    Osservando la produzione di membrane porose utilizzate per lo smistamento e il sequenziamento del DNA, I ricercatori dell'Università dell'Illinois si sono chiesti come i piccoli difetti a gradini formati durante la fabbricazione potrebbero essere utilizzati per migliorare il trasporto delle molecole. Hanno scoperto che i difetti, formati da strati di membrana sovrapposti, fanno una grande differenza nel modo in cui le molecole si muovono lungo la superficie della membrana. Invece di cercare di correggere questi difetti, il team ha deciso di usarli per aiutare a dirigere le molecole nei pori della membrana.

    I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Nanotecnologia della natura .

    Le membrane nanopore hanno suscitato interesse nella ricerca biomedica perché aiutano i ricercatori a studiare le singole molecole, atomo per atomo, trascinandole attraverso i pori per la caratterizzazione fisica e chimica. Questa tecnologia potrebbe infine portare a dispositivi in ​​grado di sequenziare rapidamente il DNA, RNA o proteine ​​per la medicina personalizzata.

    Nel 2014, Il professore di fisica dell'Università dell'Illinois Aleksei Aksimentiev e lo studente laureato Manish Shankla hanno dimostrato una membrana di grafene che controllava il movimento di una molecola attraverso un nanoporo per mezzo di una carica elettrica. Hanno scoperto che una volta che le molecole sono sulla superficie della membrana, è molto difficile farli mischiare nei pori della membrana perché le molecole amano attaccarsi alla superficie.

    Mentre era in anno sabbatico alla Delft University of Technology nei Paesi Bassi, Aksimentiev ha scoperto che il DNA tende ad accumularsi e ad attaccarsi lungo i bordi dei difetti formati dalla fabbricazione che si verificano come passaggi lineari che attraversano la superficie della membrana. L'obiettivo del team dell'Illinois era trovare un modo per utilizzare questi difetti per dirigere le molecole bloccate nei nanopori, come principio che può valere anche per la consegna, selezione e analisi di biomolecole.

    Per affinare e confermare le loro osservazioni, i ricercatori hanno utilizzato il supercomputer Blue Waters presso il National Center for Supercomputing Applications dell'Illinois e il supercomputer XSEDE per modellare gli scenari di movimento del sistema e delle molecole a livello atomico.

    Una simulazione al supercomputer di una molecola di DNA, diretto da una forza, spostandosi verso il basso e verso l'alto difetti a gradini formati dalla fabbricazione lungo la superficie di una membrana di grafene. Attestazione:Manish Shankla

    "Le simulazioni di dinamica molecolare ci consentono di osservare cosa sta accadendo mentre contemporaneamente misuriamo quanta forza è necessaria per far sì che la molecola superi un passo, " ha detto Aksimentiev. "Siamo rimasti sorpresi di scoprire che ci vuole meno forza per spostare una molecola verso il basso che verso l'alto. Sebbene possa sembrare intuitivo che la gravità renderebbe più facile dimettersi, non è il caso qui perché la gravità è trascurabile su scala nanometrica, e la forza richiesta per salire o scendere dovrebbe essere la stessa."

    Aksimentiev ha affermato che i membri del team inizialmente pensavano di poter utilizzare modelli di difetto concentrici che si formano attorno ai pori per forzare le molecole verso il basso, ma le loro simulazioni hanno mostrato le molecole che si aggregavano lungo i bordi dei gradini. Fu allora che si resero conto loro:un difetto con bordi che a spirale in un poro, combinato con una forza direzionale applicata, non darebbe alla molecola altra scelta che entrare nel poro, una specie di drenaggio.

    "Per di qua, possiamo far cadere molecole ovunque sulla membrana ricoperta da queste strutture a spirale e poi tirare le molecole in un poro, " Egli ha detto.

    I ricercatori non hanno ancora prodotto in laboratorio una membrana con difetti a spirale, ma questo compito potrebbe essere più facile che cercare di liberare una membrana di grafene dagli attuali difetti della fase di immobilizzazione della molecola, loro hanno detto.

    "Se prodotto su larga scala, la cattura guidata dai difetti può potenzialmente aumentare la capacità di cattura del DNA di diversi ordini di grandezza, rispetto alla tecnologia attuale, "Ha detto Shankla.

    "Dopo un lungo processo di sviluppo, siamo entusiasti di vedere questo principio utilizzato in una varietà di altri materiali e applicazioni come la consegna di singole molecole alle camere di reazione per esperimenti, " hanno detto i ricercatori.


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