Schéma montrant le mouvement d'une molécule d'ADN descendant un escalier nanofluidique par entropophorèse (en haut). L'illustration est superposée sur une micrographie de l'escalier réel. L'interférence des ondes lumineuses donne à chaque étape une couleur différente. Les micrographies de fluorescence correspondantes (en bas) montrent comment la molécule d'ADN se contracte lorsque la profondeur augmente d'environ 4 nanomètres (environ 20 fois plus grande qu'une molécule d'eau) à gauche à environ 342 nanomètres au niveau le plus profond à droite. Les images de la molécule d'ADN sont floues et pixelisées, le faisant paraître plus grand qu'il ne l'est. Ces erreurs d'imagerie sont estimées et corrigées dans l'analyse finale de la taille de la molécule. Crédit :Strychalski, Stavis/NIST
Souviens-toi de Slinky, le ressort en métal enroulé qui « marche » dans les escaliers d'une simple pression, élan et gravité? Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé leur propre version de ce classique, bien que 10 millions de fois plus petit, en tant que nouvelle technologie pour manipuler et mesurer des molécules d'ADN et d'autres matériaux à l'échelle nanométrique (milliardième de mètre).
Dans le premier de deux articles récents*, Samuel Stavis, Elizabeth Strychalski et ses collègues ont démontré qu'un canal fluidique à l'échelle nanométrique en forme d'escalier avec de nombreuses marches (développé précédemment au NIST et à l'Université Cornell) peut être utilisé pour contrôler la dérive par ailleurs aléatoire d'une molécule d'ADN à travers un fluide. Serré dans la marche la moins profonde en haut de l'escalier, un brin d'ADN diffuse de manière aléatoire à travers cette étape. La molécule d'ADN cherche à augmenter son entropie - la tendance universelle au désordre dans un système - en soulageant son confinement, et donc, « marche » vers le bas sur la prochaine étape plus profonde lorsqu'il atteint le bord. Le mouvement de la molécule dans l'escalier, que les chercheurs ont appelé « entropophorèse » (transport entraîné par l'entropie), se termine lorsqu'il est piégé sur la marche la plus profonde en bas. Parce que ce mouvement ressemble à celui d'un Slinky, les chercheurs ont surnommé leur système le « nanoslinky ». concentrer et organiser des mélanges d'objets à l'échelle nanométrique.
Stavis affirme que cette nouvelle technologie offre des avantages par rapport aux méthodes nanofluidiques traditionnelles pour la manipulation et la mesure de l'ADN. « Le contrôle du comportement d'une molécule d'ADN est intégré à la structure en escalier. Après avoir placé la molécule sur la marche supérieure [en faisant monter le brin d'ADN dans l'escalier avec un champ électrique], aucune force extérieure n'est nécessaire pour le faire bouger, ", dit Stavis. "L'escalier est une technologie nanofluidique passive qui automatise les manipulations et les mesures complexes de l'ADN."
Cette avancée du NIST dans la technologie nanofluidique s'harmonise parfaitement avec une innovation du NIST dans la science de la mesure, en particulier, déterminer la taille d'une molécule d'ADN dans un « confinement en forme de fente » nanofluidique imposé par l'écart étroit entre le sol de chaque marche et le plafond du canal. Dans le système « nanoslinky », Strychalski explique, le brin d'ADN enroulé et plié se contracte au fur et à mesure qu'il descend les marches. "Parce qu'il y a beaucoup d'étapes, nous pouvons faire des mesures plus détaillées que les études précédentes, " dit-elle.
Tirer le meilleur parti de ces mesures était l'objectif de la recherche rapportée dans le deuxième article de l'équipe du NIST. ** "Le défi était de rendre nos mesures de la taille de l'ADN plus quantitatives, ", dit Strychalski.
Mesures antérieures des dimensions de l'ADN dans les systèmes nanofluidiques, Strychalski dit, ont été limités par les erreurs d'imagerie des microscopes optiques utilisés pour mesurer les dimensions des molécules d'ADN marquées avec un colorant fluorescent. « Le premier problème est la limite de diffraction, ou la résolution optique, du microscope à fluorescence, " dit-elle. « Le deuxième problème est la résolution en pixels de la caméra. Parce qu'une molécule d'ADN n'est pas beaucoup plus grande que la longueur d'onde de la lumière et la taille effective des pixels, les images de molécules d'ADN fluorescentes sont floues et pixelisées, et cela augmente la taille apparente de la molécule.
Pour améliorer leurs mesures de molécules d'ADN au cours de leur descente, les chercheurs du NIST ont utilisé des modèles pour approximer les effets de la diffraction et de la pixellisation. L'application de ces « simulations numériques » aux images de molécules d'ADN confinées par l'escalier a fait des mesures finales de la taille de l'ADN les plus quantitatives à ce jour. Ces mesures ont également montré que davantage de travail est nécessaire pour bien comprendre ce système compliqué.
Selon Stavis et Strychalski, l'escalier est un prototype simple d'une nouvelle classe de structures nanofluidiques conçues avec des surfaces tridimensionnelles complexes. Avec d'autres raffinements, la technologie pourrait un jour être produite en masse pour mesurer et manipuler non seulement des molécules d'ADN, mais d'autres types de biopolymères et de matériaux à l'échelle nanométrique pour les soins de santé et la nanofabrication.
