Schema che mostra il movimento di una molecola di DNA che scende da una scala nanofluidica per entropoforesi (in alto). L'illustrazione è sovrapposta a una micrografia della scala reale. L'interferenza dell'onda luminosa conferisce a ogni passaggio un colore diverso. Le corrispondenti micrografie a fluorescenza (in basso) mostrano come la molecola di DNA si contrae all'aumentare della profondità da circa 4 nanometri (circa 20 volte più grande di una molecola d'acqua) a sinistra a circa 342 nanometri al gradino più profondo a destra. Le immagini della molecola di DNA sono sfocate e pixellate, facendolo sembrare più grande di quello che è. Questi errori di imaging vengono stimati e corretti nell'analisi finale della dimensione della molecola. Attestazione:Strychalski, Stavis/NIST
Ricorda Slinky, la molla metallica a spirale che “cammina” giù per le scale con una semplice spinta, quantità di moto e gravità? I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato la propria versione di questo classico, anche se 10 milioni di volte più piccolo, come una nuova tecnologia per manipolare e misurare molecole di DNA e altri materiali su scala nanometrica (miliardesimo di metro).
Nel primo di due recenti articoli*, Samuel Stavis, Elizabeth Strychalski e colleghi hanno dimostrato che un canale fluidico su nanoscala a forma di scala con molti gradini (sviluppato in precedenza al NIST e alla Cornell University) può essere utilizzato per controllare la deriva altrimenti casuale di una molecola di DNA attraverso un fluido. Schiacciato nel gradino più basso in cima alla scala, un filamento di DNA si diffonde casualmente attraverso quel passaggio. La molecola del DNA cerca di aumentare la sua entropia - la tendenza universale al disordine in un sistema - alleviando il suo confinamento, e quindi, "cammina" verso il basso sul successivo gradino più profondo quando raggiunge il bordo. Il movimento della molecola giù per le scale, che i ricercatori hanno chiamato "entropoforesi" (trasporto guidato dall'entropia), termina quando rimane intrappolato sul gradino più profondo in basso. Poiché questo movimento assomiglia a quello di uno Slinky, i ricercatori hanno soprannominato il loro sistema "nanoslinky". concentrare e organizzare miscele di oggetti su scala nanometrica.
Stavis afferma che questa nuova tecnologia offre vantaggi rispetto ai tradizionali metodi nanofluidici per la manipolazione e la misurazione del DNA. “Il controllo sul comportamento di una molecola di DNA è incorporato nella struttura della scala. Dopo aver posizionato la molecola sul gradino più alto [guidando il filamento di DNA su per le scale con un campo elettrico], non sono necessarie forze esterne per farlo muovere, "dice Stavis. “La scala è una tecnologia nanofluidica passiva che automatizza complesse manipolazioni e misurazioni del DNA”.
Questo progresso NIST nella tecnologia nanofluidica si integra perfettamente con un'innovazione NIST nella scienza della misurazione, in particolare, determinare la dimensione di una molecola di DNA nel “confinamento a fessura” nanofluidico imposto dallo stretto spazio tra il pavimento di ogni gradino e il soffitto del canale. Nel sistema "nanoslinky", Strychalski spiega, il filamento di DNA arrotolato e piegato si contrae progressivamente mentre scende i gradini. “Perché ci sono molti passaggi, possiamo effettuare misurazioni più dettagliate rispetto a studi precedenti, "dice lei.
Ottenere il massimo da queste misurazioni era l'obiettivo della ricerca riportata nel secondo documento del team del NIST.** "La sfida era rendere le nostre misurazioni della dimensione del DNA più quantitative, ” dice Strychalski.
Precedenti misurazioni delle dimensioni del DNA in sistemi nanofluidici, Strychalski dice, sono stati limitati da errori di imaging dai microscopi ottici utilizzati per misurare le dimensioni delle molecole di DNA etichettate con un colorante fluorescente. “Il primo problema è il limite di diffrazione, o la risoluzione ottica, del microscopio a fluorescenza, "dice. “Il secondo problema è la risoluzione dei pixel della fotocamera. Poiché una molecola di DNA non è molto più grande della lunghezza d'onda della luce e della dimensione effettiva dei pixel, le immagini delle molecole di DNA fluorescenti sono sfocate e pixellate, e questo aumenta la dimensione apparente della molecola”.
Per migliorare le loro misurazioni delle molecole di DNA durante la loro discesa, i ricercatori del NIST hanno utilizzato modelli per approssimare gli effetti della diffrazione e della pixelizzazione. L'applicazione di queste "simulazioni numeriche" alle immagini delle molecole di DNA confinate nella scala ha reso le misurazioni finali della dimensione del DNA le più quantitative fino ad oggi. Queste misurazioni hanno anche mostrato che è necessario più lavoro per comprendere appieno questo complicato sistema.
Secondo Stavis e Strychalski, la scala è un semplice prototipo di una nuova classe di strutture nanofluidiche ingegnerizzate con complesse superfici tridimensionali. Con ulteriori affinamenti, la tecnologia potrebbe un giorno essere prodotta in serie per misurare e manipolare non solo le molecole di DNA, ma altri tipi di biopolimeri e materiali su scala nanometrica per l'assistenza sanitaria e la nanoproduzione.
