Onderzoek gepresenteerd in een nieuw artikel, mede geschreven door Sandip Ghosal, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Northwestern University, werpt een nieuw licht op hoe polymeren kleine poriën doorkruisen die tienduizend keer kleiner zijn dan een mensenhaar.

Deze bevindingen kunnen leiden tot een dieper begrip van de biofysica van levende cellen, het meten van polymeereigenschappen in diverse chemische industrieën zoals kunststofproductie en voedselverwerking, en het ontwerp van biosensoren.

In de krant gepubliceerd op 30 augustus in Natuurcommunicatie , Ghosal en zijn co-auteurs presenteren gegevens die laten zien hoe de snelheid van DNA verandert als het een nanoporie binnengaat of verlaat. Verrassend genoeg, het experiment toonde aan dat DNA-moleculen sneller bewegen als ze een nanoporie binnengaan (voorwaartse translocatie) en langzamer wanneer ze uitgaan (achterwaartse translocatie).

Wat gebeurt er met het DNA, Ghosal legt uit, is iets bekends bij werktuigbouwkundigen:een concept genaamd "knikken, " meer dan twee eeuwen geleden bestudeerd door grote wetenschappelijke geesten zoals Leonhard Euler en Daniel Bernoulli, maar zelden bestudeerd op moleculair niveau.

Ghosal en zijn medewerkers concludeerden dat DNA-moleculen knikken onder invloed van drukkrachten bij het binnendringen van de nanoporie, maar worden recht getrokken door trekkrachten wanneer ze in de tegenovergestelde richting bewegen. Het resulterende verschil in de geometrische configuratie resulteert in het laatste geval in een grotere hydrodynamische weerstand op het molecuul.

De studie werd ingegeven door een verlangen om te begrijpen, in detail, de mechanica van de passage van een DNA-molecuul door een nanoporie, een onderwerp van rijke wetenschappelijke nieuwsgierigheid en vermoedens.

"We wilden weten wat er met het DNA gebeurt en waarom, " zegt Ghosal, die ook een beleefdheidsaanstelling heeft bij het departement Ingenieurswetenschappen en Toegepaste Wiskunde.

In plaats van simpelweg de gemiddelde translocatiesnelheid van het DNA te bepalen, Ghosal's in het VK gevestigde medewerkers - Ulrich F. Keyser, Maria Ricci, Kaikai Chen van de Universiteit van Cambridge, en Nicholas A. W. Klok, nu van de Universiteit van Oxford - ontwierp een innovatief experiment om de werkelijke variatie van de DNA-snelheid te onthullen door markers langs het DNA-molecuul in te voegen. Met deze "DNA-liniaal" konden de onderzoekers op elk moment de translocatiesnelheid meten. Om vervolgens in relatief korte tijd grote hoeveelheden data te verzamelen, de onderzoekers keerden herhaaldelijk de spanning over de porie, het DNA in en uit de nanoporie sturen in een "ping-pong"-modus.

Het werk van de groep bouwt voort op de "resistieve puls"-techniek die bijna 20 jaar geleden werd geïntroduceerd voor het detecteren en karakteriseren van afzonderlijke moleculen. Dat idee is sindsdien toegepast op een verscheidenheid aan onderzoeken, inclusief de zoektocht naar een ultrasnelle methode voor DNA-sequencing en de inspanning om de mechanische eigenschappen van cellen snel te meten.

Ghosal beschrijft het werk van zijn team als een mogelijke "eerste stap in het uitbreiden van de resistieve pulsmethode om de mechanische eigenschappen van polymeren te bepalen."

Hoewel Ghosal toegeeft dat het werk zelf puur nieuwsgierigheidsgedreven onderzoek is, ontworpen om te onderzoeken wat er nog meer kan worden gedaan met de resistieve pulstechniek, de bevindingen kunnen niettemin praktische toepassingen hebben op elk gebied waar het meten van polymeereigenschappen belangrijk is.

"Elk polymeer heeft een karakteristieke belasting waarbij het zal knikken en, daarom, het verschil tussen de voorwaartse en achterwaartse translocatietijden biedt een manier om de buigstijfheid van polymeren te meten, zei Ghosal. "Het is ongelooflijk spannend dat we dit nu kunnen waarnemen, ' zegt Ghosal.