Viskeuze nanoporiën, kleine gaatjes in vloeibare membranen, instorten volgens een universele wet, blijkt uit een onderzoek van Purdue University. De bevinding zou het ontwerp van nanoporiën kunnen verbeteren voor snelle, goedkope DNA-analyse en werpt licht op de biologie van poriën in celmembranen.

Gewoonlijk net groot genoeg om een ​​enkele DNA-streng door te laten, viskeuze nanoporiën zijn krachtige sensoren van moleculen en hebben toepassingen in vele technologische gebieden. Kleine poriën trekken vaak samen om oppervlakte-energie te minimaliseren, een gedrag dat een sleutelrol speelt in de natuur en technologie. Maar visualiseren hoe nanoporiën krimpen en instorten is moeilijk nadat hun straal kleiner is dan 10 nanometer, duizenden malen kleiner dan een rode bloedcel.

Carlos Corvalan, universitair hoofddocent voedingswetenschap, en zijn team gebruikten high-fidelity computersimulaties om een ​​kijkje te nemen in de fysica die het sluiten van nanoporiën regelt. De simulaties toonden aan dat nanoporiën instorten volgens een universele wet die schaalt volgens de poriestraal.

"Met deze kennis we zouden betere en goedkopere manieren kunnen ontwerpen om nanoporiën te maken die DNA-analyse zullen versnellen, "Zei Corvalan. "Dit zou ook de deur kunnen openen om te begrijpen hoe poriën in celmembranen zich gedragen."

Nanoporiën die door een laag silicium zijn geboord, zorgen voor een snelle, kosteneffectieve manier om DNA te analyseren, RNA en eiwitten, die worden "gelezen" als ze door de porie gaan.

Een uitdaging van deze technologie, echter, is dat nanoporiën te klein zijn om te maken. In plaats daarvan, onderzoekers maken een groter gat en verkleinen het geleidelijk, stoppen wanneer het de gewenste grootte heeft bereikt. Dit proces zou kunnen worden geoptimaliseerd als de fysica die de ineenstorting van nanoporiën regelt duidelijk werd begrepen.

Het team van Corvalan gebruikte een Purdue-supercomputer om de details op nanoschaal te ontdekken van wat er in de porie gebeurt als deze zich sluit. Met behulp van gegevens zoals de initiële poriestraal, Door de vorm en de dikte van het membraan kon de computer de instorting van een porie simuleren en liet het team de fysica zien die aan het proces ten grondslag ligt.

"Computersimulaties helpen bij het aanvullen van wat we niet kunnen meten, "zei hij. "Sommige dingen die aan de oppervlakte gebeuren, kunnen worden gemeten, en als we die kunnen reproduceren, we hebben er meer vertrouwen in dat de andere dingen die we in de simulatie zien, correct zullen zijn."

Tot verbazing van het team ineenstorting van een porie volgt een universele wet op basis van de initiële straal van de porie. Deze wet beschrijft de ineenstorting van elke viskeuze nanoporie, ongeacht zijn vorm - bolvormig, cilindrisch, driehoekig - of de dikte van het vloeibare vel dat het omringt.

"Het mooie van de universele wet is dat na een korte overgang in het begin, alles stort in met een constante snelheid, " zei Corvalan, die ook een hoffelijke universitair hoofddocent landbouw- en biologische technologie is.

De bevinding biedt onderzoekers de mogelijkheid om het proces van het creëren van poriën als nanosensoren te verfijnen en zou biologen ook kunnen helpen begrijpen hoe nanoporiën in celmembranen werken. Nanoporiën dienen als verbinding van cellen met de buitenwereld, waardoor de uitwisseling van materialen tussen een cel en zijn buitenkant mogelijk is.

Een methode om schadelijke micro-organismen zoals voedselpathogenen te vernietigen, is het maken van gaten in bacteriële membranen, een proces dat bekend staat als elektroporatie. Als het gat te klein is, echter, het kan instorten en genezen in plaats van breder te openen, het doden van de ziekteverwekker.

Wat doet een nanoporie instorten? Het antwoord ligt in een basisprincipe van de natuurkunde:tenzij er externe krachten aan het werk zijn, alles probeert zo min mogelijk energie te gebruiken. Als een porie klein genoeg is, het zal instorten als gevolg van oppervlaktespanning. Als het te groot is, dan kost wijder openen minder energie dan sluiten.

"Dat is de reden waarom wanneer je een luchtbel doorprikt, het zal breken, "Zei Corvalan. "En daarom, als de porie in een bacteriële celmembraan groot genoeg is, de cel zal sterven."

Jiakai Lu, een postdoctoraal onderzoeker in de voedingswetenschap, en Jiayun Yu, een bachelor in biologische techniek, was ook co-auteur van de studie.

De krant is gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society en is beschikbaar voor abonnees van tijdschriften en lezers op de campus op pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.langmuir.5b01484