Uma equipe interdisciplinar de pesquisadores da Universidade da Pensilvânia agora aplicou uma técnica de ponta para o sequenciamento rápido de genes para medir outras estruturas nanoscópicas. Ao passar esferas e hastes em nanoescala através de um pequeno orifício em uma membrana, a equipe foi capaz de medir as propriedades elétricas das superfícies dessas estruturas.

Suas descobertas sugerem novas maneiras de usar essa técnica, conhecido como "translocação de nanoporos, "para analisar objetos na menor escala.

A pesquisa foi liderada por Marija Drndić, professor do Departamento de Física e Astronomia da Penn's School of Arts &Sciences; Jennifer Lukes, professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn; e Christopher Murray, um Penn integra o professor de conhecimento que tem nomeações em ambas as escolas através dos departamentos de Química e Ciência e Engenharia de Materiais. Kimberly Venta, do laboratório de Drndić, e Mehdi Bakhshi Zanjani, do laboratório de Lukes, foram co-autores principais no artigo, e Xingchen Ye e Gopinath Danda também contribuíram para o trabalho.

Nos últimos anos, O laboratório de Drndić tem explorado uma abordagem para o sequenciamento de genes envolvendo a translocação de DNA através de um nanoporo. A técnica normalmente envolve o encadeamento de DNA, suspenso em um fluido iônico, através de um minúsculo orifício em uma membrana fina. Espera-se que cada uma das quatro bases de uma sequência de DNA bloqueie diferentes quantidades da abertura à medida que passam, permitindo assim que um número diferente de íons passe junto com eles. Na maioria do sequenciamento de nanopore, os pesquisadores tentam identificar as bases lendo as mudanças na corrente iônica circundante à medida que ela passa pelo nanoporo.

Essa técnica tem suas raízes em um dispositivo conhecido como contador Coulter. Esses dispositivos têm sido usados ​​há décadas para contar e classificar partículas microscópicas, como células sanguíneas e bactérias. O princípio é o mesmo; partículas com diâmetros maiores bloqueiam mais a abertura, reduzir a corrente elétrica medida por eletrodos posicionados acima e abaixo da abertura. Esta técnica tem sido usada em partículas que estão normalmente em microescala, Contudo, enquanto as bases do DNA estão na escala nano, mil vezes menor.

Os avanços na nanotecnologia permitiram aos pesquisadores fazer poros cada vez menores, e os primeiros sucessos no uso dessa técnica com DNA sugeriram que ela também poderia ser aplicada para medir melhor outras estruturas em nanoescala. Nanocristais esféricos e nanobastões oblongos, por exemplo, são pensados ​​para ter usos potenciais na medicina, eletrônica e outros campos, mas suas propriedades devem ser medidas com precisão antes que possam estar bem, ajustado para suas aplicações finais.

Para esse fim, os membros do contingente de Drndić basearam-se em sua pesquisa de sequenciamento envolvendo nanoporos de nitreto de silício, que pode ser personalizado para funcionar em vários tamanhos entre as escalas nano e micro.

"Uma grande característica dos nanoporos de estado sólido é que podemos alterar os diâmetros à vontade, "Drndić disse." Podemos usar um microscópio eletrônico para perfurá-los em qualquer tamanho e forma que quisermos, ao contrário dos poros nas membranas biológicas, onde precisaríamos encontrar um novo sistema a cada vez. "

Para seus alvos de medição, a equipe baseou-se na experiência do laboratório de Murray em fazer nanoesferas e nanobastões de ouro de tamanho uniforme que são cobertos com ligantes que lhes dão uma carga geral positiva. A química da superfície dessas nanopartículas foi uma combinação atraente para a técnica de translocação, que depende do desenho de objetos carregados através dos poros.

"O grau de cobertura do ligante na superfície das nanopartículas afeta muito a função e a qualidade das nanopartículas, "disse Murray." Esse é um dos motivos pelos quais precisamos ser capazes de medi-los com mais detalhes.

A equipe usou primeiro as nanopartículas esféricas para calibrar seu sistema de medição.

"Para nanopartículas esféricas com ligantes carregados em sua superfície, "disse Venta, "existe um método bem conhecido para determinar a densidade de carga superficial, e, portanto, a densidade do ligante de superfície. Contudo, este método falha para nanopartículas não esféricas. "

Para contornar essa limitação, a equipe recrutou experiência em modelagem do grupo de Lukes.

"Com base nos dados obtidos nos experimentos e em nossos modelos computacionais, "Zanjani disse, "podemos calcular a densidade de carga superficial dos nanobastões com base em seu diâmetro. Por outro lado, se soubermos sua densidade de carga superficial, podemos extrapolar seu diâmetro. O mesmo método também pode ser usado para caracterizar uma variedade de outras nanopartículas com diferentes tamanhos e formas ".

Ao desenvolver o modelo para compreender a relação entre essas propriedades, a equipe também encontrou algo inesperado. Conforme os nanobastões passam pelo poro, eles normalmente reduzem a corrente iônica através dos poros, à medida que diminuem a quantidade de íons espaciais podem habitar. Contudo, às vezes, um aumento na corrente iônica através dos poros foi registrado.

A equipe determinou que esta era outra área onde o diâmetro dos poros era crítico. Na média, os poros que eles perfuraram tinham 20 nanômetros de diâmetro, com alguns alguns nanômetros mais largos ou mais estreitos. Olhando mais de perto esses incomuns, medições de aumento de corrente, eles determinaram que, paradoxalmente, os poros mais estreitos os estavam provocando. Isso sugeriu que o mecanismo tinha algo a ver com a proximidade entre o nanorod e a borda do poro.

"Há algo na interação entre as hastes e os poros que causa esses eventos 'positivos', "disse Lukes." Mesmo que haja menos espaço para os íons passarem, pensamos que a corrente aumenta porque as superfícies carregadas das hastes e dos poros atraem uma concentração ainda maior de íons do que normalmente haveria para poros maiores. "

Esse fenômeno pode ser potencialmente explorado como uma forma diferente de medir partículas que passam por nanoporos. Pesquisas futuras fornecerão uma imagem mais clara das tolerâncias de diâmetro necessárias para partículas de diferentes formatos. Outros aspectos do poro, como se fosse cônico, formato de ampulheta versus um liso, cilíndrico, também podem ser investigados para ver se eles fazem diferença no tipo de sinais que podem ser gravados.

"Este tipo de estudo não teria sido possível sem o Centro de Pesquisa e Engenharia de Ciência de Materiais da Penn, "Drndić disse." Baseando-se na física, química, Ciência de materiais, a engenharia mecânica nos oferece uma oportunidade única de descobrir fenômenos interessantes ao mesmo tempo em que avançamos em suas aplicações práticas. "