Nanoporos viscosos, minúsculos orifícios perfurados nas membranas de fluido, colapso de acordo com uma lei universal, mostra um estudo da Purdue University. A descoberta pode melhorar o design de nanoporos para análise de DNA barata e esclarece a biologia dos poros nas membranas celulares.

Normalmente grande o suficiente para permitir que uma única fita de DNA passe, nanoporos viscosos são poderosos sensores de moléculas e têm aplicações em muitas áreas da tecnologia. Os poros pequenos muitas vezes se contraem para minimizar a energia de superfície, um comportamento que desempenha um papel fundamental na natureza e na tecnologia. Mas visualizar como os nanoporos encolhem e entram em colapso é difícil depois que seu raio se contrai abaixo de 10 nanômetros, milhares de vezes menor que um glóbulo vermelho.

Carlos Corvalan, professor associado de ciência alimentar, e sua equipe usou simulações de computador de alta fidelidade para obter uma visão interna da física que governa o fechamento dos nanoporos. As simulações mostraram que os nanoporos entram em colapso seguindo uma lei universal que escala de acordo com o raio dos poros.

"Com este conhecimento, poderíamos projetar maneiras melhores e mais baratas de fazer nanoporos que irão acelerar a análise de DNA, "Corvalan disse." Isso também pode abrir a porta para a compreensão de como os poros nas membranas celulares se comportam.

Nanoporos perfurados através de uma folha de silício fornecem um rápido, maneira econômica de analisar o DNA, RNA e proteínas, que são "lidos" à medida que passam pelo poro.

Um desafio desta tecnologia, Contudo, é que os nanoporos são pequenos demais para serem feitos. Em vez de, pesquisadores fazem um buraco maior e o reduzem gradualmente, parando quando atingir o tamanho desejado. Esse processo poderia ser otimizado se a física que controla o colapso dos nanoporos fosse claramente entendida.

A equipe de Corvalan usou um supercomputador Purdue para descobrir os detalhes em nanoescala do que acontece dentro do poro quando ele se fecha. Usando dados como raio de poro inicial, a forma e a espessura da membrana permitiram ao computador simular o colapso de um poro e mostrou à equipe a física que sustenta o processo.

"As simulações de computador ajudam a complementar o que não podemos medir, "disse ele." Algumas coisas que acontecem na superfície podem ser medidas, e se pudermos reproduzi-los, estamos mais confiantes de que as outras coisas que vemos na simulação estarão corretas. "

Para a surpresa da equipe, o colapso de um poro segue uma lei universal baseada no raio inicial do poro. Esta lei descreve o colapso de qualquer nanoporo viscoso, independentemente de sua forma - esférica, cilíndrico, triangular - ou a espessura da folha de fluido que o envolve.

"A beleza da lei universal é que, após uma breve transição no início, tudo desmorona de acordo com uma taxa constante, "disse Corvalan, que também é professor associado de cortesia de engenharia agrícola e biológica.

A descoberta oferece aos pesquisadores a capacidade de ajustar o processo de criação de poros como nanosensores e também pode ajudar os biólogos a entender como funcionam os nanoporos nas membranas celulares. Nanoporos servem como conexão das células com o mundo exterior, permitindo a troca de materiais entre uma célula e seu exterior.

Um método de destruir microorganismos prejudiciais, como patógenos alimentares, é fazer buracos nas membranas bacterianas, um processo conhecido como eletroporação. Se o buraco for muito pequeno, Contudo, pode entrar em colapso e curar em vez de se abrir mais, matando o patógeno.

O que faz um nanopore entrar em colapso? A resposta está em um princípio básico da física:a menos que forças externas estejam em ação, tudo tenta usar o mínimo de energia possível. Se um poro for pequeno o suficiente, ele entrará em colapso devido à tensão superficial. Se for muito grande, então, a abertura mais ampla requer menos energia do que o fechamento.

"É por isso que quando você perfura uma bolha, vai quebrar, "Disse Corvalan." E é por isso que se o poro em uma membrana celular bacteriana é grande o suficiente, a célula vai morrer. "

Jiakai Lu, um pesquisador de pós-doutorado em ciência de alimentos, e Jiayun Yu, um estudante de graduação em engenharia biológica, também foi coautor do estudo.

O artigo foi publicado no Jornal da American Chemical Society e está disponível para assinantes de periódicos e leitores no campus em pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.langmuir.5b01484