Un team interdisciplinare di ricercatori dell'Università della Pennsylvania ha ora applicato una tecnica all'avanguardia per il sequenziamento rapido dei geni per misurare altre strutture nanoscopiche. Facendo passare sfere e bastoncini su scala nanometrica attraverso un minuscolo foro in una membrana, il team è stato in grado di misurare le proprietà elettriche delle superfici di quelle strutture.

I loro risultati suggeriscono nuovi modi di utilizzare questa tecnica, noto come "traslocazione di nanopori, " per analizzare gli oggetti alla scala più piccola.

La ricerca è stata condotta da Marija Drndić, professore nel Dipartimento di Fisica e Astronomia della Penn's School of Arts &Sciences; Jennifer Lukes, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata della Penn's School of Engineering and Applied Science; e Christopher Murray, un Penn Integrates Knowledge Professor che ha incarichi in entrambe le scuole attraverso i dipartimenti di chimica e scienza e ingegneria dei materiali. Kimberly Venta, del laboratorio di Drndić, e Mehdi Bakhshi Zanjani, del laboratorio di Lukes, sono stati co-autori del documento, e anche Xingchen Ye e Gopinath Danda hanno contribuito al lavoro.

Negli ultimi anni, Il laboratorio di Drndić ha esplorato un approccio al sequenziamento genico che coinvolge la traslocazione del DNA attraverso un nanoporo. La tecnica prevede tipicamente il threading del DNA, sospeso in un fluido ionico, attraverso un minuscolo foro in una membrana sottile. Ci si aspetta che ciascuna delle quattro basi di una sequenza di DNA blocchi diverse quantità dell'apertura mentre passano attraverso, permettendo così il passaggio di un diverso numero di ioni insieme ad essi. Nella maggior parte del sequenziamento dei nanopori, i ricercatori tentano di identificare le basi leggendo i cambiamenti nella corrente ionica circostante mentre passa attraverso il nanoporo.

Questa tecnica ha le sue radici in un dispositivo noto come contatore Coulter. Tali dispositivi sono stati utilizzati per decenni per contare e ordinare particelle microscopiche, come le cellule del sangue e i batteri. Il principio è lo stesso; le particelle con diametri maggiori bloccano una parte maggiore dell'apertura, riducendo la corrente elettrica misurata da elettrodi posizionati sopra e sotto l'apertura. Questa tecnica è stata utilizzata su particelle che sono tipicamente su microscala, però, considerando che le basi del DNA sono su scala nanometrica, mille volte più piccolo.

I progressi della nanotecnologia hanno permesso ai ricercatori di creare pori sempre più piccoli, ei primi successi nell'uso di questa tecnica con il DNA hanno suggerito che potrebbe essere applicata anche per misurare meglio altre strutture su scala nanometrica. Nanocristalli sferici e nanobarre oblunghe, Per esempio, si pensa che abbiano potenziali usi in medicina, elettronica e altri campi, ma le loro proprietà devono essere misurate accuratamente prima che possano andare bene, sintonizzati per le loro applicazioni finali.

A quello scopo, i membri del contingente di Drndić hanno attinto alla loro ricerca sul sequenziamento che coinvolge i nanopori di nitruro di silicio, che può essere personalizzato per funzionare a varie dimensioni tra nano e micro scale.

"Una grande caratteristica dei nanopori allo stato solido è che possiamo cambiare i diametri a piacimento, " ha detto Drndić. "Possiamo usare un microscopio elettronico per perforarli in qualsiasi dimensione e forma vogliamo, a differenza dei pori delle membrane biologiche, dove avremmo bisogno di trovare un nuovo sistema ogni volta."

Per i loro obiettivi di misurazione, il team ha attinto all'esperienza del laboratorio di Murray nella produzione di nanosfere e nanobarre d'oro di dimensioni uniformi ricoperte di ligandi che conferiscono loro una carica positiva complessiva. La chimica superficiale di queste nanoparticelle è stata una corrispondenza interessante per la tecnica di traslocazione, che si basa sul disegno di oggetti carichi attraverso il poro.

"Il grado di copertura del ligando sulla superficie delle nanoparticelle influenza notevolmente la funzione e la qualità delle nanoparticelle, " ha detto Murray. "Questo è uno dei motivi per cui dobbiamo essere in grado di misurarli in modo più dettagliato".

Il team ha prima utilizzato le nanoparticelle sferiche per calibrare il proprio sistema di misurazione.

"Per le nanoparticelle sferiche con ligandi carichi sulla loro superficie, " disse Venta, "esiste un metodo ben noto per determinare la densità di carica superficiale, e quindi la densità del ligando superficiale. Però, questo metodo fallisce per le nanoparticelle non sferiche."

Per aggirare questa limitazione, il team ha arruolato l'esperienza di modellazione del gruppo di Lukes.

"Sulla base dei dati ottenuti dagli esperimenti e dai nostri modelli computazionali, "Zanjani ha detto, "possiamo calcolare la densità di carica superficiale delle nanobarre in base al loro diametro. Al contrario, se conosciamo la loro densità di carica superficiale, possiamo estrapolare il loro diametro. Lo stesso metodo può essere utilizzato anche per caratterizzare una varietà di altre nanoparticelle con dimensioni e forme diverse".

Nello sviluppo del modello per comprendere la relazione tra queste proprietà, il team ha anche trovato qualcosa di inaspettato. Quando i nanotubi passano attraverso il poro, tipicamente riducono la corrente ionica attraverso i pori, poiché diminuiscono la quantità di spazio che gli ioni possono abitare. Però, a volte è stato registrato un aumento della corrente ionica attraverso i pori.

Il team ha determinato che questa era un'altra area in cui il diametro dei pori era critico. In media, i pori che hanno perforato avevano un diametro di 20 nanometri, con alcuni pochi nanometri più larghi o più stretti. Dando un'occhiata più da vicino a questi insoliti, misure in aumento di corrente, hanno stabilito che, paradossalmente, i pori più stretti li stavano innescando. Ciò ha suggerito che il meccanismo avesse qualcosa a che fare con la vicinanza tra il nanorod e il bordo del poro.

"C'è qualcosa nell'interazione tra i bastoncelli e i pori che causa questi eventi 'positivi', " disse Lukes. "Anche se c'è meno spazio per il passaggio degli ioni, pensiamo che la corrente aumenti perché le superfici cariche dei bastoncelli e dei pori attraggono una concentrazione di ioni ancora maggiore di quella che normalmente ci sarebbe per i pori più grandi."

Questo fenomeno potrebbe essere potenzialmente sfruttato come modo diverso di misurare le particelle che passano attraverso i nanopori. Ulteriori ricerche forniranno un quadro più chiaro delle tolleranze di diametro necessarie per particelle di forme diverse. Altri aspetti del poro, come se avesse un cono, forma a clessidra contro una liscia, cilindrico, possono anche essere studiati per vedere se fanno la differenza nel tipo di segnali che possono essere registrati.

"Questo tipo di studio non sarebbe stato possibile senza il Penn's Materials Science Research and Engineering Center, "Drndić ha detto. "Attingendo alla fisica, chimica, scienza dei materiali, l'ingegneria meccanica ci offre un'opportunità unica per scoprire fenomeni interessanti e allo stesso tempo avanzare nelle loro applicazioni pratiche."