Une équipe interdisciplinaire de chercheurs de l'Université de Pennsylvanie a maintenant appliqué une technique de pointe pour le séquençage rapide des gènes afin de mesurer d'autres structures nanoscopiques. En faisant passer des sphères et des tiges nanométriques à travers un petit trou dans une membrane, l'équipe a pu mesurer les propriétés électriques des surfaces de ces structures.

Leurs résultats suggèrent de nouvelles façons d'utiliser cette technique, connu sous le nom de "translocation de nanopores, " pour analyser des objets à la plus petite échelle.

La recherche a été dirigée par Marija Drndić, professeur au Département de physique et d'astronomie de la Penn's School of Arts &Sciences; Jennifer Lukes, professeur agrégé au Département de génie mécanique et de mécanique appliquée de la Penn's School of Engineering and Applied Science; et Christophe Murray, a Penn Integrates Knowledge Professor qui a des nominations dans les deux écoles par le biais des départements de chimie et de science et génie des matériaux. Kimberly Venta, du laboratoire de Drndić, et Mehdi Bakhshi Zanjani, du laboratoire de Lukes, étaient co-auteurs principaux de l'article, et Xingchen Ye et Gopinath Danda ont également contribué au travail.

Depuis plusieurs années, Le laboratoire de Drndić a exploré une approche de séquençage de gènes impliquant une translocation d'ADN à travers un nanopore. La technique consiste généralement à enfiler de l'ADN, en suspension dans un fluide ionique, à travers un petit trou dans une fine membrane. Chacune des quatre bases d'une séquence d'ADN devrait bloquer différentes quantités de l'ouverture lorsqu'elles la traversent, permettant ainsi à un nombre différent d'ions de passer avec eux. Dans la plupart des séquençages nanopores, les chercheurs tentent d'identifier les bases en lisant les changements dans le courant ionique environnant lorsqu'il traverse le nanopore.

Cette technique a ses racines dans un appareil connu sous le nom de compteur Coulter. De tels dispositifs sont utilisés depuis des décennies pour compter et trier des particules microscopiques, comme les cellules sanguines et les bactéries. Le principe est le même; les particules de plus grand diamètre bloquent une plus grande partie de l'ouverture, réduire le courant électrique mesuré par des électrodes placées au-dessus et au-dessous de l'ouverture. Cette technique a été utilisée sur des particules qui sont généralement à l'échelle micro, cependant, alors que les bases d'ADN sont à l'échelle nanométrique, mille fois plus petit.

Les progrès de la nanotechnologie ont permis aux chercheurs de fabriquer des pores de plus en plus petits, et les premiers succès obtenus dans l'utilisation de cette technique avec l'ADN suggèrent qu'elle pourrait également être appliquée pour mieux mesurer d'autres structures à l'échelle nanométrique. Nanocristaux sphériques et nanotiges oblongues, par exemple, sont considérés comme ayant des utilisations potentielles en médecine, électronique et autres domaines, mais leurs propriétés doivent être mesurées avec précision avant qu'elles puissent être fines, réglés pour leurs applications ultimes.

À cette fin, les membres du contingent de Drndić se sont appuyés sur leurs recherches de séquençage impliquant des nanopores de nitrure de silicium, qui peut être personnalisé pour fonctionner à différentes tailles entre les échelles nano et micro.

"Une grande caractéristique des nanopores à l'état solide est que nous pouvons changer de diamètre à volonté, " a déclaré Drndić. "Nous pouvons utiliser un microscope électronique pour les percer dans n'importe quelle taille et forme que nous voulons, contrairement aux pores des membranes biologiques, où nous aurions besoin de trouver un nouveau système à chaque fois."

Pour leurs cibles de mesure, l'équipe s'est appuyée sur l'expertise du laboratoire Murray dans la fabrication de nanosphères et de nanotiges d'or de taille uniforme qui sont recouvertes de ligands qui leur confèrent une charge globale positive. La chimie de surface de ces nanoparticules était un match attrayant pour la technique de translocation, qui repose sur le dessin d'objets chargés à travers le pore.

"Le degré de couverture du ligand à la surface des nanoparticules affecte grandement la fonction et la qualité des nanoparticules, " a déclaré Murray. "C'est l'une des raisons pour lesquelles nous devons être en mesure de les mesurer plus en détail."

L'équipe a d'abord utilisé les nanoparticules sphériques pour calibrer leur système de mesure.

"Pour les nanoparticules sphériques avec des ligands chargés à leur surface, " dit Venta, "il existe une méthode bien connue pour déterminer la densité de charge de surface, et donc la densité de ligand de surface. Cependant, cette méthode échoue pour les nanoparticules non sphériques."

Pour contourner cette limitation, l'équipe a fait appel à l'expertise de modélisation du groupe de Lukes.

« Sur la base des données obtenues à partir des expériences et de nos modèles de calcul, " Zanjani a dit, "nous pouvons calculer la densité de charge de surface des nanotiges en fonction de leur diamètre. Inversement, si nous connaissons leur densité de charge de surface, on peut extrapoler leur diamètre. La même méthode peut également être utilisée pour caractériser une variété d'autres nanoparticules de différentes tailles et formes".

En développant le modèle pour comprendre la relation entre ces propriétés, l'équipe a également trouvé quelque chose d'inattendu. Lorsque les nanotiges traversent le pore, ils réduisent généralement le courant ionique à travers les pores, car ils diminuent la quantité d'espace que les ions peuvent habiter. Cependant, parfois une augmentation du courant ionique à travers les pores a été enregistrée.

L'équipe a déterminé qu'il s'agissait d'un autre domaine où le diamètre des pores était critique. En moyenne, les pores qu'ils ont percés avaient un diamètre de 20 nanomètres, avec certains quelques nanomètres plus larges ou plus étroits. En regardant de plus près ces insolites, mesures d'augmentation du courant, ils ont déterminé que, paradoxalement, les pores les plus étroits les déclenchaient. Cela suggère que le mécanisme a quelque chose à voir avec la proximité entre la nanotige et le bord du pore.

"Il y a quelque chose dans l'interaction entre les bâtonnets et les pores qui provoque ces événements "positifs", " a déclaré Lukes. " Même s'il y a moins d'espace pour les ions à traverser, nous pensons que le courant augmente parce que les surfaces chargées des tiges et des pores attirent une concentration d'ions encore plus élevée que ce qui serait normalement là pour des pores plus gros.

Ce phénomène pourrait potentiellement être exploité comme une manière différente de mesurer les particules traversant les nanopores. D'autres recherches fourniront une image plus claire des tolérances de diamètre nécessaires pour des particules de formes différentes. D'autres aspects du pore, comme s'il a un cône, forme de sablier par rapport à un lisse, un cylindrique, peuvent également être étudiées pour voir si elles font une différence dans le type de signaux qui peuvent être enregistrés.

"Ce genre d'étude n'aurait pas été possible sans le Centre de recherche et d'ingénierie en sciences des matériaux de Penn, " Dit Drndić. " En s'appuyant sur la physique, chimie, la science des matériaux, le génie mécanique nous offre une opportunité unique de découvrir des phénomènes intéressants tout en faisant progresser leurs applications pratiques en même temps. »