Het is niet eenvoudig om lange molecuulketens - zoals DNA - door een "nanoporie" (een porie van slechts enkele miljoensten van een millimeter breed) te drijven, omdat ze de neiging hebben om in de knoop te raken. Een simulatie uitgevoerd door een internationale groep wetenschappers - waaronder SISSA-onderzoekers - heeft een oplossing gesuggereerd:het is beter om zachtjes te "trekken" zonder al te veel kracht uit te oefenen, anders zou het molecuul kunnen worden gestopt als gevolg van overmatige wrijving. Dat is een belangrijke observatie om innovatieve methoden voor DNA-sequencing te creëren.

Naarmate de nanotechnologie vordert, het wordt steeds belangrijker om de dynamiek van de nanowereld (de wereld op de schaal van een miljoenste millimeter) tot in detail te kennen. Wat gebeurt er, bijvoorbeeld, wanneer we proberen een polyelektrolyt (een lange keten van elektrisch geladen moleculen, zoals DNA) door een nanoporie als knopen ervoor zorgen dat het translocatieproces vastloopt? Het is geen zinloze vraag, omdat er nu een nieuwe DNA-sequencingmethode is om elke afzonderlijke streng elektrochemisch te analyseren door deze door een nanoporie te leiden, is in ontwikkeling. Omdat die strengen de neiging hebben om in de knoop te raken als ze erg lang zijn, Angelo Rosa van de International School for Advanced Studies en zijn collega's wilden de dynamiek van deze translocatie theoretisch bestuderen, door een simulatie uit te voeren.

Het door de wetenschappers gekozen model heeft aangetoond dat vastlopen niet alleen wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van de knoop, maar door de relatie tussen wrijving en de kracht die wordt uitgeoefend om het molecuul in de opening te drijven. "Het resultaat is niet zo duidelijk in vergelijking met wat er op macroniveau gebeurt, " legde Cristian Micheletti uit, onderzoeker bij SISSA en een van de auteurs van het artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . "Knoppen introduceren een effectieve wrijving die toeneemt met de uitgeoefende kracht en trekt het polymeer naar de andere kant van de nanoporie. Translocatie wordt alleen gestopt boven een drempelkracht".

"Volgens wat we in de simulatie hebben waargenomen, om obstructie van de porie en stopzetting van de translocatie te voorkomen, de uitgeoefende kracht moet worden gecontroleerd, zonder te veel te trekken", legde Rosa uit.

Dit onderzoek is slechts een eerste stap. Voor kwantitatieve details over dit proces (wat deze drempel is en hoe de kracht moet worden gemeten om de effectiviteit van deze sequentiemethode te maximaliseren) zullen meer diepgaande onderzoeken nodig zijn, zowel op theoretisch gebied (het model ontwikkeld door Rosa, Di Ventra en Micheletti is mesoscopisch, niet atomistisch) en op experimenteel niveau.

Meer in detail…

Nanoporesequencing is een innovatieve techniek, een alternatief voor meer traditionele methoden zoals PCA. Deze methode omvat het scheiden van de twee nucleobase-strengen die de dubbele helix van het DNA vormen en ze één voor één analyseren. Elke streng wordt door een nanoporie gedreven terwijl de elektrische variaties in de translocatie worden geregistreerd. Dat is een elektrochemische methode:veranderingen in het elektrische veld geven informatie over de chemische samenstelling van het molecuul dat door de porie wordt gedreven en de samenstelling wordt zo gereconstrueerd. Tot nu toe heeft deze methode goede resultaten opgeleverd met korte DNA-fragmenten, hoewel er al langere tijd moeilijkheden zijn ondervonden, vanwege de knopen. Dat is de reden waarom studies zoals Rosa, Di Ventra en Micheletti's zijn een belangrijke stap om de efficiëntie te verhogen.