Помните Slinky®, спиральную металлическую пружину, которая "спускается" по лестнице одним нажатием, импульсом и силой тяжести? Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали свою собственную версию этой классической, хотя и в 10 миллионов раз меньшей, технологии для манипулирования и измерения молекул ДНК и других наноразмерных (миллиардные доли метра) материалов.

В первой из двух недавних работ * Сэмюэл Ставис, Элизабет Стричальски и их коллеги продемонстрировали, что наноразмерный жидкостный канал в форме лестницы со множеством ступеней (разработанный ранее в NIST и Корнельском университете **) может использоваться для управления случайным дрейфом молекулы ДНК через жидкость. Втиснутая на самую мелкую ступеньку на вершине лестницы, цепочка ДНК случайным образом рассеивается по этой ступеньке. Молекула ДНК стремится увеличить свою энтропию - универсальную тенденцию к беспорядку в системе - за счет освобождения от ограничений и, следовательно, "переходит" на следующую более глубокую ступень, когда достигает края. Движение молекулы вниз по лестнице, которое исследователи назвали "энтропофорез" (транспорт, управляемый энтропией), заканчивается, когда она оказывается в ловушке на самой глубокой ступени внизу. Поскольку это движение напоминает движение Slinky®, исследователи назвали свою систему "нанослинки". Исследователи обнаружили, что молекулы ДНК разных размеров и форм спускались по лестнице с разной скоростью, что позволяет предположить, что структура может использоваться для разделения, концентрации и организации смесей наноразмерных объектов.

"Контроль за поведением молекулы ДНК встроен в структуру лестницы. После размещения молекулы на верхней ступеньке [путем перемещения нити ДНК вверх по лестнице с помощью электрического поля] не требуется никаких внешних сил, чтобы заставить ее двигаться ", - говорит Ставис. "Лестница - это пассивная наножидкостная технология, которая автоматизирует сложные манипуляции и измерения ДНК".

Это достижение NIST в области наножидкостной технологии прекрасно сочетается с инновациями NIST в области науки об измерениях - в частности, с определением размера молекулы ДНК в наножидкостном "щелевидном ограничении", создаваемом узким зазором между полом каждой ступени и потолком канала. В системе "нанослинки", объясняет Стричальски, спиральная и свернутая нить ДНК постепенно сокращается по мере продвижения вниз по ступеням. "Поскольку существует много этапов, мы можем проводить более подробные измерения, чем предыдущие исследования", - говорит она.

Получение максимальной отдачи от этих измерений было целью исследования, о котором сообщается во второй статье команды NIST. *** "Задача состояла в том, чтобы сделать наши измерения размера ДНК более количественными", - говорит Стричальски.

Предыдущие измерения размеров ДНК в наножидкостных системах, по словам Стричальски, были ограничены ошибками при отображении с помощью оптических микроскопов, используемых для измерения размеров молекул ДНК, помеченных флуоресцентным красителем. "Первая проблема - это предел дифракции, или оптическое разрешение, флуоресцентного микроскопа", - говорит она. "Вторая проблема - это разрешение камеры в пикселях. Поскольку молекула ДНК ненамного больше длины волны света и эффективного размера пикселя, изображения флуоресцентных молекул ДНК размыты и имеют пикселизацию, и это увеличивает видимый размер молекулы ".

Чтобы улучшить свои измерения молекул ДНК во время их спуска, исследователи NIST использовали модели для аппроксимации эффектов дифракции и пикселизации. Применение этих "численных симуляций" к изображениям молекул ДНК, ограниченных лестницей, сделало окончательные измерения размера ДНК самыми количественными на сегодняшний день. Эти измерения также показали, что для полного понимания этой сложной системы требуется дополнительная работа.

По словам Стависа и Стричальски, лестница представляет собой простой прототип нового класса инженерных наножидкостных структур со сложными трехмерными поверхностями. С дальнейшими усовершенствованиями технология может когда-нибудь стать массовой для измерения и манипулирования не только молекулами ДНК, но и другими типами биополимеров и наноразмерных материалов для здравоохранения и нанопроизводства.