Nanoporos viscosos, pequeños agujeros perforados en membranas fluidas, colapso según una ley universal, muestra un estudio de la Universidad de Purdue. El hallazgo podría mejorar el diseño de nanoporos de forma rápida, análisis de ADN de bajo costo y arroja luz sobre la biología de los poros en las membranas celulares.

Por lo general, lo suficientemente grande como para permitir que pase una sola hebra de ADN, Los nanoporos viscosos son potentes sensores de moléculas y tienen aplicaciones en muchas áreas de la tecnología. Los poros pequeños a menudo se contraen para minimizar la energía superficial, un comportamiento que juega un papel clave en la naturaleza y la tecnología. Pero visualizar cómo los nanoporos se encogen y colapsan es difícil después de que su radio se contrae a menos de 10 nanómetros, miles de veces más pequeño que un glóbulo rojo.

Carlos Corvalán, profesor asociado de ciencia de los alimentos, y su equipo utilizó simulaciones por computadora de alta fidelidad para obtener una visión interna de la física que rige el cierre de los nanoporos. Las simulaciones mostraron que los nanoporos colapsan siguiendo una ley universal que escala según el radio de los poros.

"Con este conocimiento, Podríamos diseñar formas mejores y más económicas de fabricar nanoporos que acelerarán el análisis de ADN, "Esto también podría abrir la puerta para comprender cómo se comportan los poros en las membranas celulares", dijo Corvalan.

Los nanoporos perforados a través de una hoja de silicio proporcionan una rápida forma rentable de analizar el ADN, ARN y proteínas, que se "leen" a medida que pasan por el poro.

Un desafío de esta tecnología, sin embargo, es que los nanoporos son demasiado pequeños para fabricarse. En lugar de, los investigadores hacen un agujero más grande y lo reducen gradualmente, deteniéndose cuando alcanza el tamaño deseado. Este proceso podría optimizarse si se entendiera claramente la física que controla el colapso de los nanoporos.

El equipo de Corvalan utilizó una supercomputadora Purdue para descubrir los detalles a nanoescala de lo que sucede dentro del poro cuando se cierra. Usando datos como el radio de poro inicial, La forma y el grosor de la membrana permitieron que la computadora simulara el colapso de un poro y mostró al equipo la física que sustenta el proceso.

"Las simulaciones por computadora ayudan a complementar lo que no podemos medir, ", dijo." Algunas cosas que suceden en la superficie se pueden medir, y si podemos reproducirlos, estamos más seguros de que las otras cosas que vemos en la simulación serán correctas ".

Para sorpresa del equipo, El colapso de un poro sigue una ley universal basada en el radio inicial del poro. Esta ley describe el colapso de cualquier nanoporo viscoso independientemente de su forma:esférico, cilíndrico, triangular - o el espesor de la hoja de fluido que lo rodea.

"La belleza de la ley universal es que después de una breve transición al principio, todo se derrumba de acuerdo a un ritmo constante, "dijo Corvalan, quien también es profesor adjunto de cortesía de ingeniería agrícola y biológica.

El hallazgo ofrece a los investigadores la capacidad de ajustar el proceso de creación de poros como nanosensores y también podría ayudar a los biólogos a comprender cómo funcionan los nanoporos en las membranas celulares. Los nanoporos sirven como conexión de las células con el mundo exterior, permitiendo el intercambio de materiales entre una celda y su exterior.

Un método para destruir microorganismos dañinos, como los patógenos alimentarios, es hacer agujeros en las membranas bacterianas, un proceso conocido como electroporación. Si el agujero es demasiado pequeño, sin embargo, puede colapsar y curar en lugar de abrirse más, matando al patógeno.

¿Qué provoca el colapso de un nanoporo? La respuesta se encuentra en un principio básico de la física:a menos que intervengan fuerzas externas, todo trata de utilizar la menor cantidad de energía posible. Si un poro es lo suficientemente pequeño, colapsará debido a la tensión superficial. Si es demasiado grande luego, abrir más requiere menos energía que cerrar.

"Por eso, cuando pinchas una burbuja, se romperá ", Dijo Corvalan." Y es por eso que si el poro en una membrana celular bacteriana es lo suficientemente grande, la celda morirá ".

Jiakai Lu, investigador postdoctoral en ciencias de los alimentos, y Jiayun Yu, un estudiante de ingeniería biológica, también es coautor del estudio.

El artículo fue publicado en Revista de la Sociedad Química Estadounidense y está disponible para suscriptores de revistas y lectores en el campus en pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.langmuir.5b01484