Nanopores visqueux, de minuscules trous percés dans les membranes fluides, s'effondrer selon une loi universelle, une étude de l'Université Purdue montre. La découverte pourrait améliorer la conception des nanopores pour des analyse d'ADN peu coûteuse et met en lumière la biologie des pores dans les membranes cellulaires.
Généralement juste assez grand pour laisser passer un seul brin d'ADN, les nanopores visqueux sont de puissants capteurs de molécules et ont des applications dans de nombreux domaines technologiques. Les petits pores se contractent souvent pour minimiser l'énergie de surface, un comportement qui joue un rôle clé dans la nature et la technologie. Mais visualiser comment les nanopores rétrécissent et s'effondrent est difficile après que leur rayon se contracte en dessous de 10 nanomètres, des milliers de fois plus petit qu'un globule rouge.
Carlos Corvalan, professeur agrégé de sciences alimentaires, et son équipe a utilisé des simulations informatiques haute fidélité pour avoir un aperçu de la physique qui régit la fermeture des nanopores. Les simulations ont montré que les nanopores s'effondrent selon une loi universelle qui évolue en fonction du rayon des pores.
"Avec cette connaissance, nous pourrions concevoir des moyens meilleurs et moins coûteux de fabriquer des nanopores qui accéléreront l'analyse de l'ADN, ", a déclaré Corvalan. "Cela pourrait également ouvrir la porte à la compréhension du comportement des pores des membranes cellulaires."
Des nanopores percés à travers une feuille de silicium fournissent un moyen rentable d'analyser l'ADN, ARN et protéines, qui sont "lues" lorsqu'elles traversent le pore.
Un défi de cette technologie, cependant, est que les nanopores sont trop petits pour être fabriqués. Au lieu, les chercheurs font un trou plus grand et le rétrécissent progressivement, s'arrêter lorsqu'il atteint la taille désirée. Ce processus pourrait être optimisé si la physique qui contrôle l'effondrement des nanopores était clairement comprise.
L'équipe de Corvalan a utilisé un superordinateur Purdue pour découvrir les détails à l'échelle nanométrique de ce qui se passe à l'intérieur du pore lorsqu'il se ferme. En utilisant des données telles que le rayon initial des pores, la forme et l'épaisseur de la membrane ont permis à l'ordinateur de simuler l'effondrement d'un pore et ont montré à l'équipe la physique qui sous-tend le processus.
"Les simulations informatiques aident à compléter ce que nous ne pouvons pas mesurer, " a-t-il dit. " Certaines choses qui se produisent à la surface peuvent être mesurées, et si nous pouvons les reproduire, nous sommes plus confiants que les autres choses que nous voyons dans la simulation seront correctes."
A la surprise de l'équipe, l'effondrement d'un pore suit une loi universelle basée sur le rayon initial du pore. Cette loi décrit l'effondrement de tout nanopore visqueux quelle que soit sa forme - sphérique, cylindrique, triangulaire - ou l'épaisseur de la nappe fluide qui l'entoure.
"La beauté de la loi universelle est qu'après une brève transition au début, tout s'effondre selon un rythme constant, " dit Corvalan, qui est également professeur agrégé de courtoisie en génie agricole et biologique.
Cette découverte offre aux chercheurs la possibilité d'affiner le processus de création de pores en tant que nanocapteurs et pourrait également aider les biologistes à comprendre le fonctionnement des nanopores dans les membranes cellulaires. Les nanopores servent de connexion des cellules au monde extérieur, permettant l'échange de matériaux entre une cellule et son extérieur.
Une méthode pour détruire les micro-organismes nuisibles tels que les agents pathogènes alimentaires consiste à faire des trous dans les membranes bactériennes, un processus connu sous le nom d'électroporation. Si le trou est trop petit, cependant, il peut s'effondrer et guérir plutôt que de s'ouvrir plus large, tuer l'agent pathogène.
Qu'est-ce qui fait qu'un nanopore s'effondre ? La réponse réside dans un principe de base de la physique :à moins que des forces extérieures ne soient à l'œuvre, tout essaie d'utiliser le moins d'énergie possible. Si un pore est assez petit, il s'effondrera en raison de la tension superficielle. S'il est trop grand, alors l'ouverture plus large demande moins d'énergie que la fermeture.
"C'est pourquoi quand vous percez une bulle, ça va casser, " Corvalan a dit. " Et c'est pourquoi si le pore dans une membrane cellulaire bactérienne est assez grand, la cellule mourra."
Jiakai Lu, chercheur postdoctoral en sciences de l'alimentation, et Jiayun Yu, un baccalauréat en génie biologique, également co-auteur de l'étude.
Le document a été publié dans le Journal de l'American Chemical Society et est disponible pour les abonnés à la revue et les lecteurs sur le campus à pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.langmuir.5b01484
