Recuerda Slinky, el resorte de metal en espiral que "baja" las escaleras con solo un empujón, impulso y gravedad? Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado su propia versión de este clásico, aunque 10 millones de veces más pequeño, como una tecnología novedosa para manipular y medir moléculas de ADN y otros materiales a nanoescala (mil millonésimas de metro).

En el primero de dos artículos recientes *, Samuel Stavis, Elizabeth Strychalski y sus colegas demostraron que un canal fluídico a nanoescala con forma de escalera con muchos escalones (desarrollado previamente en el NIST y la Universidad de Cornell) se puede usar para controlar la deriva, de otro modo aleatoria, de una molécula de ADN a través de un fluido. Apretado en el escalón menos profundo en la parte superior de la escalera, una hebra de ADN se difunde aleatoriamente a lo largo de ese paso. La molécula de ADN busca aumentar su entropía, la tendencia universal hacia el desorden en un sistema, aliviando su confinamiento, y por lo tanto, “Camina” hacia el siguiente escalón más profundo cuando llega al borde. El movimiento de la molécula por la escalera, que los investigadores denominaron "entropoforesis" (transporte impulsado por la entropía), termina cuando queda atrapado en el escalón más profundo en la parte inferior. Debido a que este movimiento se parece al de un Slinky, los investigadores llamaron a su sistema el "nanoslinky". Los investigadores encontraron que las moléculas de ADN de diferentes tamaños y formas descendían por la escalera a diferentes velocidades, lo que sugiere que la estructura podría usarse para separar, concentrar y organizar mezclas de objetos a nanoescala.

Stavis dice que esta nueva tecnología ofrece ventajas sobre los métodos nanofluídicos tradicionales para manipular y medir el ADN. “El control sobre el comportamiento de una molécula de ADN está integrado en la estructura de la escalera. Después de colocar la molécula en el escalón superior [haciendo subir la hebra de ADN por la escalera con un campo eléctrico], no se necesitan fuerzas externas para que se mueva, ”Dice Stavis. "La escalera es una tecnología nanofluídica pasiva que automatiza complejas manipulaciones y mediciones de ADN".

Este avance del NIST en la tecnología nanofluídica encaja muy bien con una innovación del NIST en la ciencia de la medición, específicamente, determinar el tamaño de una molécula de ADN en un nanofluídico "confinamiento en forma de rendija" impuesto por el estrecho espacio entre el piso de cada escalón y el techo del canal. En el sistema "nanoslinky", Strychalski explica:la hebra de ADN enrollada y doblada se contrae progresivamente a medida que baja los escalones. “Porque hay muchos pasos, podemos realizar mediciones más detalladas que estudios anteriores, ”Ella dice.

Aprovechar al máximo esas mediciones fue el objetivo de la investigación informada en el segundo artículo del equipo del NIST. ** “El desafío era hacer que nuestras mediciones del tamaño del ADN fueran más cuantitativas, ”Dice Strychalski.

Medidas previas de las dimensiones del ADN en sistemas nanofluídicos, Strychalski dice:se han visto limitados por errores de imagen de los microscopios ópticos utilizados para medir las dimensiones de las moléculas de ADN marcadas con un tinte fluorescente. “El primer problema es el límite de difracción, o la resolución óptica, del microscopio de fluorescencia, ”Ella dice. “El segundo problema es la resolución de píxeles de la cámara. Debido a que una molécula de ADN no es mucho más grande que la longitud de onda de la luz y el tamaño de píxel efectivo, las imágenes de moléculas de ADN fluorescentes están borrosas y pixeladas, y esto aumenta el tamaño aparente de la molécula ".

Para mejorar sus mediciones de moléculas de ADN durante su descenso, los investigadores del NIST utilizaron modelos para aproximar los efectos de la difracción y la pixelación. La aplicación de estas "simulaciones numéricas" a las imágenes de moléculas de ADN confinadas por la escalera hizo que las medidas finales del tamaño del ADN fueran las más cuantitativas hasta la fecha. Estas mediciones también mostraron que se necesita más trabajo para comprender completamente este complicado sistema.

Según Stavis y Strychalski, la escalera es un prototipo simple de una nueva clase de estructuras nanofluídicas diseñadas con superficies tridimensionales complejas. Con más refinamientos, la tecnología puede que algún día se produzca en masa para medir y manipular no solo moléculas de ADN, pero otros tipos de biopolímeros y materiales a nanoescala para el cuidado de la salud y nanofabricación.