اندازه‌گیری طول نانوحفره‌ها با خط‌کش مولکولی

گروهی از محققان آمریکایی روشی برای اندازه‌گیری دقیق نانوحفرات که کانال‌های بسیار ریز در غشای سلولی هستند، ابداع کرده اند. با استفاده از این ابزارها که آنها را «خط‌‌کش‌های مولکولی» می‌نامند، می‌توان نانوحفرات ساخته شده را برای کاربردهای مختلفی همچون آنالیز سریع DNA کالیبره کرد.

مطالعات NIST و موسسات تحقیقاتی دیگر نشان می‌دهد که می‌توان از یک حفره منفرد نانومقیاس در یک غشای سلولی نازک به‌عنوان یک «آزمایشگاه آنالیز مینیاتوری» برای تشخیص و تعیین مشخصات مولکول‌های زیستی منفردی همچون DNA یا مواد سمی در حین عبور آنها از حفره یا بسته شدن حفره در برابر آنها بهره برد. می‌توان چنین سامانه‌ای را برای کاربردهای مختلفی روی یک میکروتراشه جای داد. با این حال عملی کردن این آزمایشگاه کوچک به‌تعیین دقیق قطر و ویژگی‌های ساختاری نانوحفره نیاز دارد.

محققان NIST و دانشگاه مریلند در آزمایش‌های جدید خود ابتدا یک غشا مشابه غشای سلول‌های حیوانی تولید کردند (یک ورقه دولایه از مولکول‌های لیپید). سپس با استفاده از یک پروتئین به نام alpha-hemolysin یک حفره درون این غشا ایجاد نمودند. زمانی که یک اختلاف پتانسیل میان دو سر این غشا اعمال می‌شود، مولکول‌های بارداری همچون تک‌رشته های DNA وادار به عبور از این نانوحفره می‌شوند. زمانی که این مولکول از حفره عبور می‌کند، شدت جریان یونی کاهش می‌یابد. مدت زمان کاهش این جریان متناسب با طول مولکول عبورکننده بوده و در نتیجه می‌توان طول مولکول را با اندازه‌گیری این زمان تشخیص داد. اگر طول مولکول عبورکننده آنقدر زیاد باشد که به باریک‌ترین نقطه نانوحفره که pinch point نامیده می‌شود برسد، نیروی میدان الکتریکی موجب خواهد شد که مولکول از بقیه حفره نیز عبور کند.

محققان NIST و دانشگاه مریلند توانستند با استفاده از این ویژگی روبشگرهای مبتنی بر DNA برای اندازه‌گیری فاصله میان هر یک از دو انتهای حفره با pinch point توسعه دهند. با جمع کردن این دو عدد طول حفره به دست می‌آید. این روبشگرها از رشته‌های DNA با طول مشخص ساخته شده‌اند که یک انتهای آنها به یک کُره پلیمری متصل شده است. این کُره مانع عبور تمام مولکول DNA از حفره شده ولی رشته DNA می‌تواند درون حفره وارد شود. اگر طول DNA آنقدر باشد که به pinch point برسد، نیروی میدان الکتریکی به‌جای اینکه مولکول را به‌سوی دیگر کانال بکشاند، آن را محکم در جای خود نگه‌می‌دارد، زیرا کُره پلیمری مانع از کشیده شدن کل مولکول به درون کانال می‌شود؛ در نتیجه فاصله ابتدای حفره تا pinch point مشخص می‌شود. اگر رشته مورد استفاده کوتاه‌تر از این مقدار باشد، مولکول‌های DNA که وارد حفره شده‌اند، به‌راحتی از آن بیرون می‌جهند و دانشمندان می‌فهمند که نیاز به استفاده از رشته بلندتری دارند.