(PhysOrg.com) -- Met behulp van een paar exotische technieken, waaronder een moleculaire versie van ijsvissen, een team van onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology heeft methoden ontwikkeld om nauwkeurig de lengte van "nanoporiën, ” de minuscule kanaaltjes in celmembranen. De 'moleculaire heersers' die ze in een recent artikel* beschrijven, zouden kunnen dienen als een manier om op maat gemaakte nanoporiën te kalibreren - waarvan de diameters gemiddeld bijna 10 zijn, 000 keer kleiner dan die van een mensenhaar - voor een verscheidenheid aan toepassingen zoals snelle DNA-analyse.

Studies bij NIST en andere onderzoeksinstellingen hebben aangetoond dat een enkele porie op nanometerschaal in een dun membraan kan worden gebruikt als een "miniatuuranalyselaboratorium" om individuele biologische moleculen zoals DNA of toxines te detecteren en te karakteriseren wanneer ze door de passage gaan of de passage blokkeren . Een dergelijk systeem zou mogelijk op een enkel microchipapparaat kunnen passen, voor een breed scala aan toepassingen. Echter, het praktisch maken van het minilab vereist een nauwkeurige definitie van de afmetingen en structurele kenmerken van de nanoporie.

Bij nieuwe experimenten onderzoekers van NIST en de Universiteit van Maryland bouwden eerst een membraan - een dubbellaagse laag lipidemoleculen - vergelijkbaar met die in dierlijke cellen. Ze 'boorden' er een porie in met een eiwit** dat speciaal is ontworpen om celmembranen te penetreren. Wanneer er spanning over de membraanwand wordt aangelegd, geladen moleculen zoals enkelstrengs DNA worden in de nanoporie geperst. Als het molecuul het kanaal binnengaat, de ionenstroom wordt verminderd gedurende een tijd die evenredig is met de grootte van de ketting, waardoor de lengte gemakkelijk kan worden afgeleid.

Als een ketting lang genoeg is om het smalste deel van de nanoporie te bereiken - bekend als het knijppunt - zal de kracht van het elektrische veld erachter het molecuul door de rest van het kanaal duwen. Door gebruik te maken van deze eigenschap, het NIST/Maryland-team ontwikkelde een DNA-sondemethode om de afstanden van de openingen aan weerszijden van het membraan tot het knelpunt te meten, en op zijn beurt, de gehele lengte van de nanoporie door de twee metingen bij elkaar op te tellen. De sondes bestaan ​​uit DNA-strengen van bekende lengte met aan het ene uiteinde een polymeerbolletje. De bol voorkomt dat de sonde volledig door de nanoporie beweegt, terwijl de DNA-keten die eraan bungelt vrij blijft om zich in het kanaal uit te strekken. Als de ketting het knelpunt bereikt, de kracht die normaal gesproken een vrije DNA-keten langs de kruising zou drijven, houdt in plaats daarvan de sonde op zijn plaats (omdat de polymeerbol hem aan het andere uiteinde "vergrendelt") en de afstand tot het knelpunt definieert. Als de ketting korter is dan de afstand tot het knelpunt, het zal uit de nanoporie worden gestuiterd, onderzoekers vertellen dat een langere ketting nodig is om de afstand tot de opening te meten.

De NIST/Maryland-onderzoekers ontwikkelden ook een tweede manier om de lengte van de nanoporie te meten om de resultaten van de "single lollipop"-methode te bevestigen. In dit systeem, polymeermoleculen mogen vrij circuleren in de oplossing aan de binnenkant van het membraan. Met polymeer afgedekte DNA-probes van verschillende lengtes worden één voor één vanaf de andere kant in de nanoporie geduwd. Als het uiteinde van de ketting van een sonde lang genoeg is om het kanaal volledig te dwarsen, het zal een vrij polymeermolecuul in oplossing grijpen. Dit definieert de lengte van het kanaal.

Aanvullend, deze methode van “ijsvissen” geeft inzicht in de structuur van de nanoporiën. Terwijl de DNA-keten zich een weg baant, veranderingen in elektrische spanning komen overeen met de veranderende vorm van het kanaal. Deze informatie kan worden gebruikt om de doorgang effectief in kaart te brengen.