Terwijl we kijken naar de productie van poreuze membranen die worden gebruikt voor het sorteren en rangschikken van DNA, Onderzoekers van de Universiteit van Illinois vroegen zich af hoe kleine stapvormige defecten die tijdens de fabricage werden gevormd, konden worden gebruikt om het transport van moleculen te verbeteren. Ze ontdekten dat de defecten - gevormd door overlappende membraanlagen - een groot verschil maken in hoe moleculen langs een membraanoppervlak bewegen. In plaats van te proberen deze gebreken op te lossen, het team wilde ze gebruiken om moleculen in de membraanporiën te helpen leiden.

Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Nanoporiënmembranen hebben interesse gewekt in biomedisch onderzoek omdat ze onderzoekers helpen om individuele moleculen te onderzoeken - atoom voor atoom - door ze door poriën te trekken voor fysische en chemische karakterisering. Deze technologie zou uiteindelijk kunnen leiden tot apparaten die snel DNA kunnen sequencen, RNA of eiwitten voor gepersonaliseerde geneeskunde.

In 2014, Natuurkundeprofessor Aleksei Aksimentiev van de Universiteit van Illinois en afgestudeerde student Manish Shankla demonstreerden een grafeenmembraan dat de beweging van een molecuul door een nanoporie regelde door middel van elektrische lading. Ze ontdekten dat als de moleculen eenmaal op het oppervlak van het membraan zijn, het is erg moeilijk om ze in de poriën van het membraan te laten schuifelen, omdat moleculen graag aan het oppervlak blijven kleven.

Tijdens een sabbatical aan de Technische Universiteit Delft in Nederland, Aksimentiev ontdekte dat DNA de neiging heeft zich op te hopen en te plakken langs de randen van door fabricage gevormde defecten die optreden als lineaire stappen die zich over het oppervlak van het membraan uitstrekken. Het doel van het Illinois-team was om een ​​manier te vinden om deze gebreken te gebruiken om de vastzittende moleculen in de nanoporiën te leiden, als principe dat ook kan gelden voor de levering, sorteren en analyseren van biomoleculen.

Om hun waarnemingen te verfijnen en te bevestigen, de onderzoekers gebruikten de Blue Waters-supercomputer van het National Center for Supercomputing Applications in Illinois en de XSEDE-supercomputer om de systeem- en molecuulbewegingsscenario's op atomair niveau te modelleren.

"Moleculaire dynamische simulaties laten ons kijken wat er gebeurt terwijl we tegelijkertijd meten hoeveel kracht er nodig is om het molecuul een stap te laten maken, "Zei Aksimentiev. "We waren verrast toen we ontdekten dat er minder kracht nodig is om een ​​molecuul een stap omlaag te bewegen dan omhoog. Hoewel het misschien intuïtief lijkt dat de zwaartekracht het afstappen gemakkelijker zou maken, dat is hier niet het geval omdat de zwaartekracht op nanoschaal verwaarloosbaar is, en de kracht die nodig is om omhoog of omlaag te bewegen moet hetzelfde zijn."

Aksimentiev zei dat teamleden oorspronkelijk dachten dat ze concentrische defectpatronen konden gebruiken die zich rond de poriën vormen om de moleculen naar beneden te dwingen, maar hun simulaties toonden aan dat de moleculen samenkwamen langs de randen van de treden. Toen drong het tot hen door:een defect met randen die in een porie spiraalsgewijs gecombineerd met een toegepaste richtingskracht, zou het molecuul geen andere optie geven dan in de porie te gaan - een soort van afvoer.

"Op deze manier, we kunnen moleculen overal op het membraan laten vallen dat bedekt is met deze spiraalstructuren en dan de moleculen in een porie trekken, " hij zei.

De onderzoekers hebben in het laboratorium nog geen membraan met spiraaldefecten geproduceerd, maar die taak kan gemakkelijker zijn dan proberen een grafeenmembraan te ontdoen van de huidige molecule-immobiliserende stapdefecten, ze zeiden.

"Als het op schaal wordt geproduceerd, defectgestuurde opname kan mogelijk de doorvoer van DNA-opname met verschillende ordes van grootte verhogen, vergeleken met de huidige technologie, ' zei Shankla.

"Na een lang ontwikkelingsproces, we zijn verheugd om te zien dat dit principe wordt gebruikt in een verscheidenheid aan andere materialen en toepassingen, zoals de levering van individuele moleculen aan reactiekamers voor experimenten, ', aldus de onderzoekers.