La recherche présentée dans un nouvel article co-écrit par le professeur agrégé de génie mécanique de la Northwestern University, Sandip Ghosal, jette un nouvel éclairage sur la façon dont les polymères traversent de minuscules pores dix mille fois plus petits qu'un cheveu humain.

Ces découvertes pourraient permettre une meilleure compréhension de la biophysique des cellules vivantes, la mesure des propriétés des polymères dans diverses industries chimiques telles que la plasturgie et l'agroalimentaire, et la conception de biocapteurs.

Dans l'article publié le 30 août dans Communication Nature , Ghosal et ses co-auteurs présentent des données montrant comment la vitesse de l'ADN change lorsqu'il entre ou sort d'un nanopore. Étonnamment, l'expérience a montré que les molécules d'ADN se déplacent plus rapidement lorsqu'elles pénètrent dans un nanopore (translocation vers l'avant) et plus lentement lorsqu'elles en sortent (translocation vers l'arrière).

Que se passe-t-il avec l'ADN, Ghosal explique, est quelque chose de familier aux ingénieurs mécaniciens :un concept appelé « flambage, " étudié par de grands esprits scientifiques comme Leonhard Euler et Daniel Bernoulli il y a plus de deux siècles, mais rarement étudié au niveau moléculaire.

Ghosal et ses collaborateurs ont conclu que les molécules d'ADN se déforment sous l'influence des forces de compression lorsqu'elles pénètrent dans le nanopore, mais sont tirés en ligne droite par des forces de traction lorsqu'ils se déplacent dans la direction opposée. La différence résultante dans la configuration géométrique entraîne une plus grande traînée hydrodynamique sur la molécule dans ce dernier cas.

L'étude était motivée par le désir de comprendre, en détail, la mécanique du passage d'une molécule d'ADN à travers un nanopore, un sujet de riche curiosité scientifique et de conjectures.

"Nous voulions savoir ce qui arrive à l'ADN et pourquoi, " dit Ghosal, qui détient également un rendez-vous de courtoisie au Département des sciences de l'ingénieur et des mathématiques appliquées.

Plutôt que de simplement déterminer la vitesse moyenne de translocation de l'ADN, Les collaborateurs de Ghosal basés au Royaume-Uni - Ulrich F. Keyser, Maria Ricci, Kaikai Chen de l'Université de Cambridge, et Nicholas A.W. Cloche, maintenant de l'Université d'Oxford - a conçu une expérience innovante pour révéler la variation réelle de la vitesse de l'ADN en insérant des marqueurs le long de la molécule d'ADN. Cette « règle ADN » a permis aux chercheurs de mesurer la vitesse de translocation à chaque instant. Pour collecter ensuite de grandes quantités de données dans un délai relativement court, les chercheurs ont inversé à plusieurs reprises la tension à travers le pore, envoyer l'ADN dans et hors du nanopore en mode "ping-pong".

Les travaux du groupe s'appuient sur la technique des « impulsions résistives » introduite il y a près de 20 ans pour détecter et caractériser des molécules uniques. Cette idée a depuis été appliquée à une variété de recherches, y compris la recherche d'une méthode ultra-rapide de séquençage de l'ADN et l'effort pour mesurer rapidement les propriétés mécaniques des cellules.

Ghosal décrit le travail de son équipe comme une "première étape potentielle pour étendre la méthode des impulsions résistives à la détermination des caractéristiques mécaniques des polymères".

Bien que Ghosal admette que le travail lui-même est une recherche purement motivée par la curiosité conçue pour sonder ce qui peut être fait de plus avec la technique d'impulsion résistive, les résultats pourraient néanmoins avoir des applications dans le monde réel dans n'importe quel domaine où la mesure des propriétés des polymères est importante.

"Chaque polymère a une charge caractéristique à laquelle il se déformera et, donc, la différence entre les temps de translocation vers l'avant et vers l'arrière permet de mesurer la rigidité en flexion des polymères, " a déclaré Ghosal. " C'est incroyablement excitant que nous puissions maintenant observer cela, " dit Ghosal.