Сан-Франциско. До сих пор большинство биологов изучали молекулы жизни в пробирках, наблюдая за тем, как ведет себя большое их количество.
Но теперь исследователи из Корнелльского университета в Итаке, штат Нью-Йорк, используют нанотехнологии для создания микроскопических кремниевых устройств с характеристиками, сравнимыми по размеру с ДНК, белками и другими биологическими молекулами - для подсчета молекул, их анализа, разделения и, возможно, даже работать с ними по очереди. Работа называется «нанофлюидика».
«Это расширит методы анализа очень малых количеств биохимических веществ и создаст новые возможности, непредвиденные методами пробирки», - говорит Гарольд Крейгхед, профессор прикладной и инженерной физики Корнельского университета и директор Корнельского центра нанобиотехнологий. (НБТК).
Крейгхед рассказал о некоторых работах своей лаборатории в докладе «Разделение и анализ ДНК в нанофлюидных системах» на ежегодном собрании Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS) в Сан-Франциско 15 февраля. Доклад является частью двухдневного семинара по нанотехнологиям.
Работа Крейгхеда началась с поиска «искусственного геля», который заменил бы органические гели, используемые для разделения фрагментов ДНК для анализа. Традиционно это делается с помощью процесса, называемого гель-электрофорезом. Ферменты используются для разрезания цепей ДНК на множество коротких фрагментов различной длины. Образец помещают на один конец колонки с органическим гелем и прикладывают электрическое поле, чтобы заставить ДНК двигаться через гель. Медленно пробираясь сквозь крошечные поры материала, фрагменты ДНК разной длины движутся с разной скоростью и в конечном итоге собираются в серию полос в виде лестничной структуры, которую можно сфотографировать с помощью флуоресцентных или радиоактивных меток. Полученное изображение, объясняет Крейгхед, представляет собой просто список длин фрагментов, из которых ученые могут считывать генетическую информацию. Поэтому он искал другие способы сортировки фрагментов ДНК по длине, которые позволили бы ученым быстро работать с небольшими количествами материала. Крейг!! Хэд и его коллеги изготовили множество наноструктур на основе кремния с порами, сравнимыми с размером большой молекулы ДНК.
Они изучили три подхода к разделению ДНК:
o Устройства с отверстиями, которые меньше «радиуса вращения» фрагментов ДНК. Подвешенная в воде цепочка ДНК быстро скручивается в примерно сферическую каплю. При прижатии к барьеру с отверстиями меньше радиуса этой формы он должен развернуться, чтобы пройти сквозь него. Как это ни парадоксально, более крупные молекулы делают это быстрее, потому что они прижимаются к препятствию более широкой областью, предоставляя больше мест, где можно втянуть часть цепи, чтобы начать ее разматывание. Когда электрическое поле используется для перемещения смеси фрагментов ДНК по каналу с несколькими такими барьерами, фрагменты разной длины будут двигаться с разной скоростью, достигая дальнего конца в виде серии полос, мало чем отличающихся от тех, что наблюдаются при гель-электрофорезе.
o Сортировка по физической длине. Образец ДНК помещается рядом с «лесом» из крошечных столбиков, расположенных в виде квадратной сетки, и прикладывается электрическое поле, заставляющее молекулы двигаться в сетку. (Представьте, что вы тянете спиральную часовую пружину по длинному прямому переулку.) Если электрическое поле включается на короткое время и выключается до того, как молекула полностью проникнет внутрь, нескрученная часть выскочит обратно, как часовая пружина. втянуться в свою спираль. Но как только вся молекула окажется внутри сетки, ее ничто не вытянет обратно. Изменяя длину импульса электрического поля, исследователи могут контролировать длину нитей ДНК, собранных в сетке. По словам Крейгхеда, помимо предоставления способа измерения длины цепи, этот инструмент можно использовать для разделения ДНК для другой работы. Если в начале присутствуют две молекулы разной длины, более короткие молекулы могут быть перемещены в сетку, оставив чистый образец более длинных нитей!! ide.
oБоковая диффузия по длине. При движении через сеть крошечных столбиков цепи ДНК постоянно сталкиваются с движущимися молекулами воды, которые могут сбить их с пути. Этот процесс называется «броуновским движением». Если столбы представляют собой плоские лопасти, расположенные под углом в одном направлении, движение всех цепей будет смещено в одну сторону. Более короткие и легкие молекулы будут отталкиваться дальше, поэтому молекулы можно сортировать или измерять на основе расстояния, на которое они перемещаются по дорожке, когда выходят из сетки. Крейгхед называет эти устройства «броуновскими храповиками». Все эти методы работают с молекулами в целом, но группа Крейгхеда также изучает способы работы с отдельными молекулами или, по крайней мере, с молекулами по отдельности. Они построили микроскопические туннели, достаточно большие, чтобы молекулы ДНК могли проходить по одному. Световоды из наноматериалов размещены по обеим сторонам туннеля. Несмотря на то, что молекулы ДНК очень большие, они все же слишком малы, чтобы v!! видимый свет, но они могут быть помечены другими молекулами, которые флуоресцируют под воздействием ультрафиолетового лазера, и флуоресценция может быть обнаружена, когда более крупные молекулы испускают более длинные импульсы света. По словам Крейгхеда, помимо подсчета количества молекул заданного размера в образце, эти устройства могут включать переключатели, которые могут направлять молекулы разных размеров в разные каналы..
Хотя до сих пор большая часть работы была связана с ДНК, говорит Крейгхед, эти методы также могут быть применены к изучению других крупных органических молекул, включая белки, углеводы и липиды.
Связанный веб-сайт - The Craighead Research Group: