Un equipo interdisciplinario de investigadores de la Universidad de Pensilvania ha aplicado ahora una técnica de vanguardia para la secuenciación rápida de genes para medir otras estructuras nanoscópicas. Al pasar esferas y varillas a nanoescala a través de un pequeño orificio en una membrana, el equipo pudo medir las propiedades eléctricas de las superficies de esas estructuras.

Sus hallazgos sugieren nuevas formas de utilizar esta técnica, conocida como "translocación de nanoporos, "para analizar objetos a la escala más pequeña.

La investigación fue dirigida por Marija Drndić, profesor del Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias de Penn; Jennifer Lukes, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn; y Christopher Murray, un profesor de Penn Integrates Knowledge que tiene nombramientos en ambas escuelas a través de los departamentos de Química y Ciencia e Ingeniería de Materiales. Kimberly Venta, del laboratorio de Drndić, y Mehdi Bakhshi Zanjani, del laboratorio de Lukes, fueron coautores principales del artículo, y Xingchen Ye y Gopinath Danda también contribuyeron al trabajo.

Durante los últimos años, El laboratorio de Drndić ha estado explorando un enfoque para la secuenciación de genes que involucra la translocación del ADN a través de un nanoporo. La técnica generalmente implica enhebrar ADN, suspendido en un fluido iónico, a través de un pequeño orificio en una fina membrana. Se espera que cada una de las cuatro bases de una secuencia de ADN bloquee diferentes cantidades de la apertura a medida que pasan, permitiendo así que un número diferente de iones pasen junto con ellos. En la mayoría de las secuencias de nanoporos, los investigadores intentan identificar bases leyendo los cambios en la corriente iónica circundante a medida que pasa a través del nanoporo.

Esta técnica tiene sus raíces en un dispositivo conocido como contador Coulter. Estos dispositivos se han utilizado durante décadas para contar y clasificar partículas microscópicas, como células sanguíneas y bacterias. El principio es el mismo; partículas con diámetros más grandes bloquean una mayor parte de la abertura, reduciendo la corriente eléctrica medida por los electrodos colocados encima y debajo de la abertura. Esta técnica se ha utilizado en partículas que normalmente se encuentran en la microescala, sin embargo, mientras que las bases de ADN están en la nanoescala, mil veces más pequeño.

Los avances en nanotecnología han permitido a los investigadores hacer poros cada vez más pequeños, y los primeros éxitos en el uso de esta técnica con ADN sugirieron que también podría aplicarse para medir mejor otras estructuras a nanoescala. Nanocristales esféricos y nanobarras oblongas, por ejemplo, se cree que tienen usos potenciales en medicina, electrónica y otros campos, pero sus propiedades deben medirse con precisión antes de que puedan estar bien, sintonizados para sus aplicaciones definitivas.

Con ese fin, los miembros del contingente de Drndić se basaron en su investigación de secuenciación con nanoporos de nitruro de silicio, que se puede personalizar para trabajar en varios tamaños entre las escalas nano y micro.

"Una gran característica de los nanoporos de estado sólido es que podemos cambiar los diámetros a voluntad, ", Dijo Drndić." Podemos usar un microscopio electrónico para perforarlos en el tamaño y la forma que queramos, a diferencia de los poros en las membranas biológicas, donde tendríamos que encontrar un nuevo sistema cada vez ".

Para sus objetivos de medición, el equipo se basó en la experiencia del laboratorio de Murray en la fabricación de nanoesferas y nanobarras de oro de tamaño uniforme que están cubiertas con ligandos que les dan una carga positiva general. La química de la superficie de estas nanopartículas fue una combinación atractiva para la técnica de translocación, que se basa en dibujar objetos cargados a través del poro.

"El grado de cobertura del ligando en la superficie de las nanopartículas afecta en gran medida la función y la calidad de las nanopartículas, ", dijo Murray." Esa es una de las razones por las que necesitamos poder medirlos con más detalle ".

El equipo utilizó por primera vez las nanopartículas esféricas para calibrar su sistema de medición.

"Para nanopartículas esféricas con ligandos cargados en su superficie, "dijo Venta, "existe un método bien conocido para determinar la densidad de carga superficial, y por tanto la densidad del ligando superficial. Sin embargo, este método falla para las nanopartículas no esféricas ".

Para sortear esta limitación, el equipo reclutó la experiencia en modelaje del grupo de Lukes.

"Según los datos obtenidos de los experimentos y nuestros modelos computacionales, "Zanjani dijo, "podemos calcular la densidad de carga superficial de las nanovarillas en función de su diámetro. A la inversa, si conocemos su densidad de carga superficial, podemos extrapolar su diámetro. El mismo método también se puede utilizar para caracterizar una variedad de otras nanopartículas con diferentes tamaños y formas ".

Al desarrollar el modelo para comprender la relación entre estas propiedades, el equipo también encontró algo inesperado. A medida que las nanovarillas atraviesan el poro, normalmente reducen la corriente iónica a través de los poros, a medida que disminuyen la cantidad de espacio que pueden habitar los iones. Sin embargo, a veces se registró un aumento de la corriente iónica a través de los poros.

El equipo determinó que esta era otra área donde el diámetro de los poros era crítico. De media, los poros que perforaron tenían 20 nanómetros de diámetro, con algunos nanómetros más anchos o más estrechos. Echando un vistazo más de cerca a estos inusuales, medidas de aumento de corriente, ellos determinaron que, paradójicamente, los poros más estrechos los estaban activando. Esto sugirió que el mecanismo tenía algo que ver con la proximidad entre la nanovarilla y el borde del poro.

"Hay algo en la interacción entre las varillas y los poros que causa estos eventos 'positivos', ", dijo Lukes." Aunque hay menos espacio para que los iones pasen, creemos que la corriente aumenta porque las superficies cargadas de las varillas y los poros atraen una concentración de iones aún mayor que la que normalmente habría para los poros más grandes ".

Este fenómeno podría potencialmente aprovecharse como una forma diferente de medir las partículas que atraviesan los nanoporos. La investigación adicional proporcionará una imagen más clara de las tolerancias de diámetro necesarias para partículas de diferentes formas. Otros aspectos del poro, como si tuviera una forma cónica, forma de reloj de arena versus una suave, cilíndrico, También se pueden investigar para ver si hacen una diferencia en el tipo de señales que se pueden grabar.

"Este tipo de estudio no hubiera sido posible sin el Centro de Ingeniería e Investigación en Ciencia de Materiales de Penn, ", Dijo Drndić." Basándose en la física, química, ciencia de los Materiales, La ingeniería mecánica nos brinda una oportunidad única de descubrir fenómenos interesantes al mismo tiempo que avanzamos en sus aplicaciones prácticas ".