nanopori viscosi, minuscoli fori perforati nelle membrane fluide, crollare secondo una legge universale, uno studio della Purdue University mostra. La scoperta potrebbe migliorare la progettazione dei nanopori per una rapida, analisi del DNA poco costose e fa luce sulla biologia dei pori nelle membrane cellulari.

Tipicamente abbastanza grande da consentire il passaggio di un singolo filamento di DNA, i nanopori viscosi sono potenti sensori di molecole e hanno applicazioni in molte aree della tecnologia. I piccoli pori spesso si contraggono per ridurre al minimo l'energia superficiale, un comportamento che gioca un ruolo chiave nella natura e nella tecnologia. Ma visualizzare come i nanopori si restringono e collassano è difficile dopo che il loro raggio si contrae più piccolo di 10 nanometri, migliaia di volte più piccolo di un globulo rosso.

Carlos Corvalan, professore associato di scienze dell'alimentazione, e il suo team ha utilizzato simulazioni al computer ad alta fedeltà per dare un'occhiata all'interno della fisica che governa la chiusura dei nanopori. Le simulazioni hanno mostrato che i nanopori collassano seguendo una legge universale che scala in base al raggio dei pori.

"Con questa conoscenza, potremmo progettare modi migliori e più economici per creare nanopori che accelereranno l'analisi del DNA, " Ha detto Corvalan. "Questo potrebbe anche aprire la porta alla comprensione di come si comportano i pori nelle membrane cellulari".

I nanopori perforati attraverso un foglio di silicio forniscono un rapido, modo conveniente per analizzare il DNA, RNA e proteine, che vengono "lette" mentre passano attraverso il poro.

Una sfida di questa tecnologia, però, è che i nanopori sono troppo piccoli per essere realizzati. Anziché, i ricercatori fanno un buco più grande e lo rimpiccioliscono gradualmente, fermandosi quando raggiunge la dimensione desiderata. Questo processo potrebbe essere ottimizzato se si comprendesse chiaramente la fisica che controlla il collasso dei nanopori.

Il team di Corvalan ha utilizzato un supercomputer Purdue per scoprire i dettagli su scala nanometrica di ciò che accade all'interno del poro quando si chiude. Utilizzando dati come il raggio iniziale dei pori, la forma e lo spessore della membrana hanno permesso al computer di simulare il collasso di un poro e hanno mostrato al team la fisica alla base del processo.

"Le simulazioni al computer aiutano a completare ciò che non possiamo misurare, " ha detto. "Alcune cose che accadono in superficie possono essere misurate, e se possiamo riprodurli, siamo più fiduciosi che le altre cose che vediamo nella simulazione saranno corrette".

Con sorpresa della squadra, il collasso di un poro segue una legge universale basata sul raggio iniziale del poro. Questa legge descrive il collasso di qualsiasi nanoporo viscoso indipendentemente dalla sua forma:sferico, cilindrico, triangolare - o lo spessore del foglio fluido che lo circonda.

"La bellezza della legge universale è che dopo un breve passaggio all'inizio, tutto crolla secondo un ritmo costante, " disse Corvalan, che è anche professore associato di cortesia di ingegneria agraria e biologica.

La scoperta offre ai ricercatori la possibilità di mettere a punto il processo di creazione dei pori come nanosensori e potrebbe anche aiutare i biologi a capire come funzionano i nanopori nelle membrane cellulari. I nanopori fungono da connessione delle cellule con il mondo esterno, consentendo lo scambio di materiali tra una cellula e il suo esterno.

Un metodo per distruggere i microrganismi dannosi come i patogeni alimentari consiste nel praticare fori nelle membrane batteriche, un processo noto come elettroporazione. Se il foro è troppo piccolo, però, può collassare e guarire piuttosto che aprirsi di più, uccidendo l'agente patogeno.

Cosa fa collassare un nanoporo? La risposta sta in un principio fondamentale della fisica:a meno che non siano all'opera forze esterne, tutto cerca di usare meno energia possibile. Se un poro è abbastanza piccolo, collasserà a causa della tensione superficiale. Se è troppo grande, quindi l'apertura più ampia richiede meno energia della chiusura.

"Ecco perché quando fori una bolla, si romperà, " disse Corvalan. "Ed ecco perché se il poro in una membrana cellulare batterica è abbastanza grande, la cellula morirà."

Jiakai Lu, un ricercatore post-dottorato in scienze dell'alimentazione, e Jiayun Yu, uno studente di ingegneria biologica, anche co-autore dello studio.

Il documento è stato pubblicato nel Giornale della Società Chimica Americana ed è disponibile per gli abbonati alla rivista e per i lettori del campus su pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.langmuir.5b01484