La ricerca presentata in un nuovo articolo scritto dal professore associato di ingegneria meccanica della Northwestern University Sandip Ghosal getta nuova luce su come i polimeri attraversano minuscoli pori diecimila volte più piccoli di un capello umano.

Questi risultati potrebbero favorire una comprensione più profonda della biofisica delle cellule viventi, la misurazione delle proprietà dei polimeri in diverse industrie chimiche come la produzione di materie plastiche e la lavorazione degli alimenti, e la progettazione di biosensori.

Nel documento pubblicato il 30 agosto in Comunicazioni sulla natura , Ghosal e i suoi coautori presentano dati che mostrano come cambia la velocità del DNA quando entra o esce da un nanoporo. Sorprendentemente, l'esperimento ha mostrato che le molecole di DNA si muovono più velocemente quando entrano in un nanoporo (traslocazione in avanti) e più lentamente quando escono (traslocazione all'indietro).

Cosa sta succedendo con il DNA, Ghosal spiega, è qualcosa di familiare agli ingegneri meccanici:un concetto chiamato "instabilità, " studiato da grandi menti scientifiche come Leonhard Euler e Daniel Bernoulli più di due secoli fa, ma raramente studiato a livello molecolare.

Ghosal e i suoi collaboratori hanno concluso che le molecole di DNA si deformano sotto l'influenza di forze di compressione quando entrano nel nanoporo, ma sono tirati dritti dalle forze di trazione quando si muovono nella direzione opposta. La differenza risultante nella configurazione geometrica si traduce in una maggiore resistenza idrodinamica sulla molecola in quest'ultimo caso.

Lo studio è stato motivato dal desiderio di comprendere, in dettaglio, la meccanica del passaggio di una molecola di DNA attraverso un nanoporo, un argomento di ricca curiosità scientifica e congetture.

"Volevamo sapere cosa sta succedendo al DNA e perché, "dice Ghosal, che ricopre anche un incarico di cortesia presso il Dipartimento di Scienze dell'Ingegneria e Matematica Applicata.

Piuttosto che limitarsi a determinare la velocità media di traslocazione del DNA, Collaboratori di Ghosal con sede nel Regno Unito - Ulrich F. Keyser, Maria Ricci, Kaikai Chen dell'Università di Cambridge, e Nicholas A.W. Campana, ora dell'Università di Oxford - ha progettato un esperimento innovativo per rivelare l'effettiva variazione della velocità del DNA inserendo dei marcatori lungo la molecola del DNA. Questo "righello del DNA" ha permesso ai ricercatori di misurare la velocità di traslocazione in ogni istante. Per poi raccogliere grandi quantità di dati in un periodo di tempo relativamente breve, i ricercatori hanno ripetutamente capovolto la tensione attraverso il poro, inviando il DNA dentro e fuori il nanoporo in modalità "ping-pong".

Il lavoro del gruppo si basa sulla tecnica dell'"impulso resistivo" introdotta quasi 20 anni fa per rilevare e caratterizzare singole molecole. Da allora questa idea è stata applicata a una varietà di ricerche, compresa la ricerca di un metodo ultraveloce di sequenziamento del DNA e lo sforzo di misurare rapidamente le proprietà meccaniche delle cellule.

Ghosal descrive il lavoro del suo team come un potenziale "primo passo per estendere il metodo degli impulsi resistivi alla determinazione delle caratteristiche meccaniche dei polimeri".

Sebbene Ghosal ammetta che il lavoro stesso è una ricerca puramente guidata dalla curiosità progettata per sondare cosa si può fare di più con la tecnica dell'impulso resistivo, i risultati potrebbero tuttavia avere applicazioni nel mondo reale in qualsiasi area in cui la misurazione delle proprietà dei polimeri è importante.

"Ogni polimero ha un carico caratteristico al quale si piegherà e, perciò, la differenza tra i tempi di traslocazione in avanti e all'indietro fornisce un modo per misurare la rigidità alla flessione dei polimeri, " ha detto Ghosal. "È incredibilmente eccitante che ora possiamo osservare questo, " dice Ghosal.