(PhysOrg.com) -- Polymeerstrengen kronkelen zich een weg door nanometergrote poriën in een membraan om van hier naar daar te komen en hun werk te doen. Nieuw theoretisch onderzoek door wetenschappers van Rice University kwantificeert precies hoe lang de reis duurt.

Dat is goed om te weten voor wetenschappers die het transport van RNA bestuderen, DNA en eiwitten - die allemaal tellen als polymeren - of degenen die membranen ontwikkelen voor gebruik in biosensoren of als apparaat voor medicijnafgifte.

Onderzoekers onder leiding van Anatoly Kolomeisky, een universitair hoofddocent scheikunde en chemische en biomoleculaire engineering, hebben een theoretische methode bedacht om de tijd te berekenen die langketenige polymeren nodig hebben om door nanokanalen in membranen te verplaatsen, zoals degene die de kern van een cel scheidt van het omringende cytoplasma. RNA-moleculen moeten deze intracellulaire reis maken, net als eiwitten die door het buitenmembraan van een cel gaan om taken in het lichaam uit te voeren.

Hoofdauteur Kolomeisky rapporteerde de bevindingen deze maand in de Tijdschrift voor Chemische Fysica . Studie co-auteurs zijn onder meer Aruna Mohan, een voormalig postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij Rice en nu een onderzoeker bij Exxon-Mobil, en Matteo Pasquali, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering en chemie.

Het team bestudeerde de translocatie van een lang polymeermolecuul, die ongeveer lijkt op kralen aan een touwtje, door twee soorten nanoporiëngeometrieën:een cilinder en een tweecilindercomposiet dat leek op een grote buis die was verbonden met een kleine buis. Niet verrassend, ze ontdekten dat een polymeer sneller passeerde bij het binnenkomen van de composiet door het brede uiteinde.

"We nemen aan dat het polymeer relatief groot is in vergelijking met de grootte van de porie, wat realistisch is, " Kolomeisky zei over het proces, dat is vergelijkbaar met een touw door een kijkgaatje halen. "Een typische DNA-streng kan wel duizend nanometer lang zijn, en de porie kan een lengte hebben van enkele nanometers."

Het is al langer bekend dat polymeren niet zomaar door een porie vliegen, zelfs als ze de opening vinden. Zij beginnen. Ze stoppen. Ze beginnen opnieuw. En zodra het vooreinde een porie is binnengegaan, het kan er weer uit. Polymeren trillen vaak heen en weer als ze door een porie gaan, zichzelf voortdurend herconfigureren.

"Vorige theoretici dachten dat zodra het voorste uiteinde het kanaal bereikte, het hele polymeer zou er doorheen gaan, "zei hij. "We zeggen dat het vele malen heen en weer gaat voordat het eindelijk voorbij is."

De sleutel tot een nauwkeurige beschrijving van polymeertranslocatie met precisie van één molecuul is het meten van elektrische stromen die door de porie gaan. "Als de stroom hoog is, er zit geen polymeer in het kanaal. Als de stroom uitvalt, het zit in de porie en blokkeert de flux, " hij zei.

Experimenten geven aan dat typische DNA- en RNA-moleculen in enkele milliseconden door een membraan kunnen gaan, afhankelijk van de sterkte van het elektrische veld dat ze aandrijft. Maar zelfs dat, hij zei, is veel langer dan onderzoekers eerder dachten.

Kolomeisky zei dat de nieuwe methode werkt voor poriën van elke geometrie, of ze hetero zijn, conisch of gemaakt van samengevoegde cilinders van verschillende afmetingen, zoals het hemolysine biologische kanaal dat ze in hun onderzoek simuleerden.

De berekeningen zijn evenzeer van toepassing op natuurlijke of kunstmatige poriën, waarvan hij zei dat het belangrijk zou zijn voor wetenschappers die membranen maken voor medicijnafgifte, biosensoren of waterzuiveringsprocessen, of het onderzoeken van nieuwe methoden voor het sequencen van DNA.