(Phys.org)—Negli anni '60, Il premio Nobel Pierre-Gilles de Gennes ha postulato che un giorno i ricercatori potrebbero testare le sue teorie sulle reti polimeriche osservando singole molecole. I ricercatori della Brown hanno osservato singole molecole di DNA trascinate attraverso i nanopori dalla corrente elettrica e hanno capito perché molto spesso viaggiano a capofitto.

Se vuoi capire un romanzo, aiuta a partire dall'inizio piuttosto che cercare di riprendere la trama da qualche parte nel mezzo. Lo stesso vale per l'analisi di un filamento di DNA. Il modo migliore per dargli un senso è guardarlo dalla testa alla coda.

Per fortuna, secondo un nuovo studio dei fisici della Brown University, Le molecole di DNA hanno una conveniente tendenza a cooperare.

La ricerca, pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica , esamina le dinamiche di come le molecole di DNA vengono catturate dai nanopori allo stato solido, minuscoli fori che presto potrebbero aiutare a sequenziare il DNA alla velocità della luce. Lo studio ha scoperto che quando un filamento di DNA viene catturato e tirato attraverso un nanoporo, è molto più probabile che inizi il viaggio da una delle sue estremità, piuttosto che essere afferrato da qualche parte nel mezzo e tirato fuori in una configurazione piegata.

"Pensiamo che questo sia un progresso importante per capire come le molecole di DNA interagiscono con questi nanopori, " ha detto Derek Stein, assistente professore di fisica alla Brown, che ha svolto la ricerca con gli studenti laureati Mirna Mihovilivic e Nick Haggerty. "Se vuoi fare il sequenziamento o qualche altra analisi, vuoi che la molecola attraversi il poro dalla testa alla coda."

La ricerca sul sequenziamento del DNA con nanopori è iniziata poco più di 15 anni fa. Il concetto è abbastanza semplice. Un piccolo buco, pochi miliardesimi di metro di diametro, viene infilato in una barriera che separa due pozze di acqua salata. Una corrente elettrica viene applicata attraverso il foro, che attira occasionalmente una molecola di DNA che galleggia nell'acqua. Quando ciò accade, la molecola viene frustata attraverso il poro in una frazione di secondo. Gli scienziati possono quindi utilizzare sensori sui pori o altri mezzi per identificare le basi nucleotidiche, gli elementi costitutivi del codice genetico.

La tecnologia avanza rapidamente, e si prevede che i primi dispositivi di sequenziamento dei nanopori saranno sul mercato molto presto. Ma ci sono ancora domande di base su come si comportano le molecole nel momento in cui vengono catturate e prima.

"Quello che stavano facendo le molecole prima di essere catturate era un mistero e una questione di speculazione, " disse Stein. "E vorremmo saperlo perché se stai cercando di progettare qualcosa per controllare quella molecola, per farle fare ciò che vuoi che faccia, devi sapere cosa sta combinando."

Per scoprire cosa stanno combinando quelle molecole, i ricercatori hanno attentamente monitorato oltre 1, 000 istanze di una molecola che sfreccia attraverso un nanoporo. La corrente elettrica attraverso il poro fornisce un segnale di come è passata la molecola. Le molecole che passano attraverso il centro devono prima essere piegate per passare. Quella configurazione piegata occupa più spazio nel poro e blocca più corrente. Quindi, osservando le differenze nella corrente, Stein e il suo team hanno potuto contare quante molecole hanno attraversato prima la testa e quante sono iniziate da qualche parte nel mezzo.

Lo studio ha scoperto che le molecole hanno molte volte più probabilità di essere catturate in corrispondenza o molto vicino a un'estremità rispetto a qualsiasi altro singolo punto lungo la molecola.

"Quello che abbiamo scoperto è che le estremità sono posti speciali, " Stein ha detto. "Il mezzo è diverso da una fine, e questo ha una conseguenza sulla probabilità che una molecola inizi il suo viaggio dalla fine o dal centro".

Sempre spazio per Jell-O

Come risulta, c'è una vecchia teoria che spiega abbastanza bene questi nuovi risultati sperimentali. È la teoria di Jell-O.

Jell-O è una rete polimerica, una massa di fili ondulati polimerici che si attaccano l'uno all'altro in giunzioni casuali. I fili ondulati sono la ragione per cui Jell-O è un jiggly, semi-solido. Il modo in cui i filamenti polimerici si connettono tra loro non è diverso dal modo in cui un filamento di DNA si connette a un nanoporo nell'istante in cui viene catturato. In acqua, Le molecole di DNA sono mischiate in scarabocchi casuali proprio come le molecole di gelatina in Jell-O.

"C'è una teoria potente che descrive in quanti modi i polimeri in Jell-O possono organizzarsi e attaccarsi, "Stein ha detto. "Questo risulta essere perfettamente applicabile al problema di dove queste molecole di DNA vengono catturate da un nanoporo".

Quando applicato al DNA, la teoria Jell-O prevede che se dovessi contare tutte le possibili configurazioni di un filamento di DNA al momento della cattura, scopriresti che ci sono più configurazioni in cui viene catturato dalla sua fine, rispetto ad altri punti lungo il filo. È un po' come le probabilità di ottenere una coppia nel poker rispetto alle probabilità di ottenere un tris. È più probabile che tu ottenga una coppia semplicemente perché ci sono più coppie nel mazzo che triple.

Questa misura di tutte le possibili configurazioni, una misura di ciò che i fisici chiamano l'entropia della molecola, è tutto ciò che serve per spiegare perché il DNA tende ad andare a capofitto. Alcuni scienziati avevano ipotizzato che forse i fili avrebbero avuto meno probabilità di passare nel mezzo perché piegarli a metà richiederebbe energia extra. Ma quell'energia di piegatura sembra non avere alcuna importanza. Come dice Stein, "Il numero di modi in cui una molecola può ritrovarsi con la testa conficcata nel poro è semplicemente maggiore del numero di modi in cui può trovarsi con il centro che tocca il poro".

Queste teorie sulle reti polimeriche esistono da un po' di tempo. Sono stati proposti per la prima volta dal defunto premio Nobel Pierre-Gilles de Gennes negli anni '60, e Bertrand Duplantier hanno compiuto importanti progressi negli anni '80. Mihovilivic, Studente laureato di Stein e autore principale di questo studio, dice che questo è in realtà uno dei primi test di laboratorio di quelle teorie.

"Non potevano essere testati fino ad ora, quando possiamo effettivamente eseguire misurazioni di singole molecole, " ha detto. "[De Gennes] ha postulato che un giorno sarebbe stato possibile testarlo. Penso che sarebbe stato molto entusiasta di vederlo accadere".