Denk aan Slinky, de opgerolde metalen veer die met slechts een duw naar beneden "loopt", momentum en zwaartekracht? Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben hun eigen versie van deze klassieker ontwikkeld - zij het 10 miljoen keer kleiner - als een nieuwe technologie voor het manipuleren en meten van DNA-moleculen en andere nanoschaal (miljardste van een meter) materialen.

In de eerste van twee recente papers*, Samuël Stavis, Elizabeth Strychalski en collega's toonden aan dat een vloeistofkanaal op nanoschaal in de vorm van een trap met veel treden (eerder ontwikkeld aan NIST en Cornell University) kan worden gebruikt om de anders willekeurige drift van een DNA-molecuul door een vloeistof te beheersen. Geknepen in de ondiepste trede bovenaan de trap, een streng DNA diffundeert willekeurig over die stap. Het DNA-molecuul probeert zijn entropie te vergroten - de universele neiging tot wanorde in een systeem - door zijn opsluiting te verlichten, en daarom, "loopt" naar de volgende diepere trede wanneer deze de rand bereikt. De beweging van het molecuul de trap af, die de onderzoekers "entropoforese" (entropie-gedreven transport) noemden, eindigt wanneer het vast komt te zitten op de diepste trede onderaan. Omdat deze beweging lijkt op die van een Slinky, de onderzoekers gaven hun systeem de bijnaam 'nanoslinky'. concentreren en organiseren van mengsels van objecten op nanoschaal.

Stavis zegt dat deze nieuwe technologie voordelen biedt ten opzichte van traditionele nanofluïdische methoden voor het manipuleren en meten van DNA. “Controle over het gedrag van een DNA-molecuul is ingebouwd in de trapstructuur. Na het molecuul op de bovenste trede te hebben geplaatst [door de DNA-streng de trap op te rijden met een elektrisch veld], er zijn geen externe krachten nodig om het te laten bewegen, ', zegt Stavis. "De trap is een passieve nanofluïdische technologie die complexe manipulaties en metingen van DNA automatiseert."

Deze NIST-vooruitgang in nanofluïdische technologie sluit mooi aan bij een NIST-innovatie in meetwetenschap, met name, het bepalen van de grootte van een DNA-molecuul in nanofluïdische "spleetachtige opsluiting" opgelegd door de smalle opening tussen de vloer van elke stap en het plafond van het kanaal. In het "nanoslinky"-systeem, Strychalski legt uit, de opgerolde en gevouwen DNA-streng trekt geleidelijk samen terwijl hij de trap afgaat. “Omdat er veel trappen zijn, we kunnen meer gedetailleerde metingen doen dan eerdere studies, ' zegt ze.

Het doel van het onderzoek dat werd gerapporteerd in het tweede artikel van het NIST-team, was om het meeste uit die metingen te halen.** “De uitdaging was om onze metingen van de DNA-grootte meer kwantitatief te maken, ', zegt Strychalski.

Eerdere metingen van DNA-afmetingen in nanofluïdische systemen, Strychalski zegt, zijn beperkt door beeldvormingsfouten van de optische microscopen die worden gebruikt om de afmetingen te meten van DNA-moleculen die zijn gelabeld met een fluorescerende kleurstof. “Het eerste probleem is de diffractielimiet, of de optische resolutie, van de fluorescentiemicroscoop, ' zegt ze. “Het tweede probleem is de pixelresolutie van de camera. Omdat een DNA-molecuul niet veel groter is dan de golflengte van licht en de effectieve pixelgrootte, afbeeldingen van fluorescerende DNA-moleculen zijn wazig en gepixeld, en dit vergroot de schijnbare grootte van het molecuul.”

Om hun metingen van DNA-moleculen tijdens hun afdaling te verbeteren, de NIST-onderzoekers gebruikten modellen om de effecten van diffractie en pixilatie te benaderen. Door deze "numerieke simulaties" toe te passen op de afbeeldingen van DNA-moleculen die door de trap waren opgesloten, waren de laatste metingen van de DNA-grootte de meest kwantitatieve tot nu toe. Deze metingen toonden ook aan dat er meer werk nodig is om dit gecompliceerde systeem volledig te begrijpen.

Volgens Stavis en Strychalski, de trap is een eenvoudig prototype van een nieuwe klasse van geconstrueerde nanofluïdische structuren met complexe driedimensionale oppervlakken. Met verdere verfijningen, de technologie kan ooit in massaproductie worden geproduceerd voor het meten en manipuleren van niet alleen DNA-moleculen, maar andere soorten biopolymeren en materialen op nanoschaal voor gezondheidszorg en nanofabricage.