Диэнай
Pulsing
Исследователи из Университета Иллинойса размышляли о том, как микроскопические, ступенчатые дефекты, полученные во время изготовления, могут быть использованы для усиления транспорта молекул.
Исследователи сделали это, наблюдая за развитием пористых мембран, используемых для сортировки и секвенирования ДНК. Они обнаружили, что крошечные дефекты, создаваемые перекрывающимися мембранными слоями, имеют огромное значение в том, как молекулы движутся вдоль поверхности мембраны.
Исследователи, вместо того, чтобы пытаться исправить эти дефекты, решили использовать их, чтобы помочь направить молекулы внутри пор мембраны. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology .
В биомедицинских исследованиях мембраны нанопор вызвали значительный интерес, поскольку они помогают ученым изучать отдельные молекулы – атом за атомом – протягивая их через поры для химической и физической характеристики. Такая технология может в конечном итоге привести к разработке устройств, которые могут быстро упорядочить белки, РНК или ДНК для персонализированной медицины.
Ранее, в 2014 году, профессор физики Алексей Аксиментьев и аспирант Маниш Шанкла из Иллинойского университета описали графеновую мембрану, которая регулировала движение молекулы через нанопоры с помощью электрического заряда. Дуэт заметил, что как только молекулы достигают поверхности мембраны, они не могут быть легко втянуты в поры мембраны, потому что они предпочитают прилипать к поверхности мембраны.
В то время как Аксиментьев находился на творческом отпуске в Технологическом университете Делфта в Нидерландах, он обнаружил, что ДНК накапливается и прилипает к границам дефектов, образующихся при изготовлении. Эти дефекты возникают в виде линейных ступеней, покрывающих поверхность мембраны.
Цель команды Иллинойса состояла в том, чтобы идентифицировать метод, где эти дефекты могут использоваться, чтобы направить пойманные в ловушку молекулы в нанопорах. Этот принцип также применим к сортировке, доставке и анализу биомолекул.
Для дальнейшего улучшения и подтверждения своих наблюдений ученые использовали суперкомпьютер Blue Waters, развернутый в Национальном центре суперкомпьютерных приложений в Иллинойсе, а также суперкомпьютер XSEDE для моделирования системы и сценариев молекулярных движений на атомном уровне.
Моделирование молекулярной динамики позволяет нам наблюдать за происходящим, одновременно измеряя, сколько силы требуется, чтобы молекула очистила шаг. Мы были удивлены, обнаружив, что для перемещения молекулы вниз на шаг требуется меньше силы, чем вверх. Хотя может показаться интуитивно понятным, что гравитация облегчит шаг вниз, это не так, потому что гравитация пренебрежимо мала на наноуровне, и сила, необходимая для перемещения вверх или вниз, должна быть одинаковой .
Алексей Аксиментьев, профессор физики, Иллинойский университет
Аксиментьев сообщил, что исследователи изначально полагали, что концентрические паттерны дефектов, которые развиваются вокруг пор, могут быть использованы для выталкивания молекул вниз. Однако их моделирование показало, как молекулы собираются вдоль краев ступеней.
Именно тогда им пришло в голову, что дефект с краями, спиральными в пору, вместе с приложенным направленным усилием, не даст никакой другой возможности для молекулы, которая затем будет вынуждена войти в пору, подобно стечь.
« Таким образом, мы можем сбрасывать молекулы в любом месте на мембране, покрытой этими спиральными структурами, и затем втягивать молекулы в пору », – сказал Аксиментьев.
По словам исследователей, им еще предстоит создать мембрану со спиральными дефектами в лаборатории; однако эта задача может быть проще, чем попытка устранить графеновую мембрану из существующих дефектов стадии иммобилизации молекулы
При изготовлении в масштабе захват с дефектами может потенциально увеличить пропускную способность захвата ДНК на несколько порядков по сравнению с современной технологией .
Маниш Шанкла, аспирант, Университет Иллинойса
« После долгого процесса разработки мы рады видеть, что этот принцип используется в различных других материалах и приложениях, таких как доставка отдельных молекул в реакционные камеры для экспериментов », – заявили ученые.
Исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения, Национальным научным фондом и Голландским исследовательским советом.
В этом суперкомпьютерном моделировании молекула ДНК, направленная силой, перемещается вниз по ступенчатому дефекту, сформированному в процессе изготовления, вдоль поверхности графеновой мембраны. (Видео: Маниш Шанкла)
Источник: https://illinois.edu/