Mientras observa la producción de membranas porosas utilizadas para la clasificación y secuenciación de ADN, Los investigadores de la Universidad de Illinois se preguntaron cómo los pequeños defectos en forma de escalones formados durante la fabricación podrían usarse para mejorar el transporte de moléculas. Descubrieron que los defectos, formados por capas superpuestas de membranas, marcan una gran diferencia en la forma en que las moléculas se mueven a lo largo de la superficie de una membrana. En lugar de intentar corregir estos defectos, el equipo se propuso usarlos para ayudar a dirigir las moléculas hacia los poros de la membrana.

Sus hallazgos se publican en la revista Nanotecnología de la naturaleza .

Las membranas de nanoporos han generado interés en la investigación biomédica porque ayudan a los investigadores a investigar moléculas individuales, átomo por átomo, haciéndolas pasar a través de los poros para su caracterización física y química. En última instancia, esta tecnología podría conducir a dispositivos que puedan secuenciar rápidamente el ADN, ARN o proteínas para medicina personalizada.

En 2014, El profesor de física de la Universidad de Illinois, Aleksei Aksimentiev, y el estudiante de posgrado Manish Shankla demostraron una membrana de grafeno que controlaba el movimiento de una molécula a través de un nanoporo mediante carga eléctrica. Descubrieron que una vez que las moléculas están en la superficie de la membrana, es muy difícil conseguir que se muevan hacia los poros de la membrana porque a las moléculas les gusta adherirse a la superficie.

Mientras tomaba un año sabático en la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, Aksimentiev descubrió que el ADN tiende a acumularse y adherirse a lo largo de los bordes de los defectos formados por fabricación que ocurren como pasos lineales que se extienden a través de la superficie de la membrana. El objetivo del equipo de Illinois era encontrar una manera de utilizar estos defectos para dirigir las moléculas pegadas a los nanoporos. como principio que también puede aplicarse a la entrega, clasificación y análisis de biomoléculas.

Para refinar y confirmar sus observaciones, Los investigadores utilizaron la supercomputadora Blue Waters del Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación de Illinois y la supercomputadora XSEDE para modelar los escenarios de movimiento del sistema y de las moléculas a nivel atómico.

"Las simulaciones de dinámica molecular nos permiten observar lo que está sucediendo y al mismo tiempo medir cuánta fuerza se requiere para que la molécula despeje un paso, ", Dijo Aksimentiev." Nos sorprendió descubrir que se necesita menos fuerza para mover una molécula hacia abajo que hacia arriba. Aunque puede parecer intuitivo que la gravedad facilitaría el descenso, no es el caso aquí porque la gravedad es insignificante en la nanoescala, y la fuerza necesaria para subir o bajar debe ser la misma ".

Aksimentiev dijo que los miembros del equipo originalmente pensaron que podían usar patrones de defectos concéntricos que se forman alrededor de los poros para forzar las moléculas hacia abajo. pero sus simulaciones mostraron que las moléculas se congregaban a lo largo de los bordes de los escalones. Fue entonces cuando se les ocurrió:Un defecto con bordes que se enroscan en un poro, combinado con una fuerza direccional aplicada, no le daría a la molécula otra opción que entrar en el poro, algo así como un drenaje.

"De esta manera, podemos dejar caer moléculas en cualquier lugar de la membrana cubierta con estas estructuras espirales y luego tirar de las moléculas hacia un poro, " él dijo.

Los investigadores aún no han producido una membrana con defectos en espiral en el laboratorio. pero esa tarea puede ser más fácil que tratar de librar una membrana de grafeno de los defectos del paso de inmovilización de moléculas actuales, ellos dijeron.

"Cuando se fabrica a escala, La captura guiada por defectos puede aumentar potencialmente el rendimiento de captura de ADN en varios órdenes de magnitud, en comparación con la tecnología actual, "Dijo Shankla.

"Después de un largo proceso de desarrollo, Estamos entusiasmados de ver este principio utilizado en una variedad de otros materiales y aplicaciones, como la entrega de moléculas individuales a cámaras de reacción para experimentos. ", dijeron los investigadores.