دانشمندان با مطالعه نحوه عبور رشته‌های DNA از یک منفذ به ابعاد نانو، دریافتند که احتمال کشیده شدن رشته به منفذ در دو انتهای رشته به سرعت افزایش می‌یابد. آن‌ها این امر را ناشی از بیشینه شدن آنتروپی در این شرایط می‌دانند.

نانومنفذها، سوراخ‌هایی با اندازه نانومتری در غشاهایی هستند که به عنوان توالی‌ساز DNA از آن‌ها استفاده می‌شود. دو گروه مستقل در دانشگاه‌های براون ایالات متحده و صنعتی شریف از ایران، به صورت تجربی و نظری به بررسی حرکت رشته‌های DNA پیش از رسیدن به منفذ پرداخته‌اند.
در آزمایش‌های تجربی، پژوهشگران می‌توانند در هنگام عبور زنجیره‌های اسید نوکلوئیک، ابتدا و انتهای منفذ را نگاه کنند. اگرچه این کار معمولا با زیست‌مولکول‌های تانخورده انجام می‌شود، نانومنفذهای بزرگ را می‌توان با بیش از یک رشته کشید که این کار احتمالا با یک ملکول تاخورده نیز امکان پذیر است. میرنا میهوویلوویچ (Mirna Mihovilovic) و همکارانش در دانشگاه براون آزمایش‌هایی را گزارش می‌کنند که نشان می‌دهند چگونه پیکربندی‌های مولکولی متفاوت، از یک نانومنفذ عبور می‌کنند. به ویژه، آن‌ها مشاهده می‌کنند که DNA بیشتر ترجیح می‌دهد به منفذ انتهایی وارد شوند [1].

نویسندگان، منفذی با قطر ۸ نانومتری روی صفحه نیترید سیلیکون ساختند که دو محلول آبی رسانا را جدا می‌کرد. ولتاژی اعمال شد تا جریانی تولید کند که بر اساس میزان مسدود بودن منفذ تغییر می‌کرد. دوره زمانی جریان یونی نشان می‌دهد که یک رشته، چند رشته یا چند تا از یک رشته از منفذ عبور می‌کنند، یا این که مولکول‌ها بخشی از یک رشته یا رشته‌های ناقص هستند. میهوویلوویچ و همکارانش داده‌ها را به شکل تابعی از موقعیت گیر افتادن رشته‌ها ترسیم کرده‌اند.
گروه دانشگاه براون فهمیدند، احتمال این‌که رشته‌ای در مکانی خاص در منفذ کشیده شود، به سرعت در انتهای بسپار (پلیمر) افزایش می‌یابد. قبلا پژوهشگران فرض کرده بودند که احتمال دام افتادن در طول زنجیره ثابت است. مدل‌سازی آن‌ها نشان می‌دهد که این امر ناشی از بیشینه‌سازی اتنروپی پیکربندی است: راه‌های بسیاری برای پلمیری وجود دارد تا بخش میانی آن ابتدا به منفذ انتهایی نزدیک شود.
گروه تحقیقاتی دیگری در دانشگاه صنعتی شریف به صورت موازی و مستقل، امکان تغییرشکل زنجیره‌ی باردار DNA را تحت تاثیر میدان غیریکنواخت اطراف منفذ به صورت نظری بررسی کرده‌اند [2]. فرنوش فرهپور (دانشکده فیزیک دانشگاه صنعتی شریف) و همکارانش با به‌دست آوردن رابطه‌ای تحلیلی برای میدان الکتریکی، نحوه‌ی تغییر شکل و بستگی آن به پارامترهای سیستم را توصیف کرده‌اند. در عین حال به کمک شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان داده‌اند که وجود یون‌های آزاد اطراف DNA در یک میدان الکتریکی غیریکنواخت می‌تواند میزان کشیدگی را افزایش داده و به این ترتیب احتمال رسیدن یک سر آزاد زنجیره به منفذ را بالا ببرد. محاسبات این گروه نشان می‌دهد که میزان افزایش احتمال رسیدن از سر آزاد (تحت تاثیر میدان غیریکنواخت و حضور یون‌های آزاد) چیزی فراتر از بالا بودن احتمال به دلیل خواص آنتروپیک است.

با وجود تفاوت‌های موجود در دو روش و اختلاف در توصیف دلایل چنین رفتاری، نتایج نهایی در توافق بسیار خوبی با یکدیگر هستند و می‌توانند سرآغاز مطالعاتی در زمینه اثر تاریخچه حرکت DNA پیش از رسیدن به حفره و تاثیر آن در سرعت عبور و نرخ به دام افتادن زنجیره باشند.

منبع: Through the Eye of the Needle

مرجع:

[1]  Statistics of DNA Capture by a Solid-State Nanopore, Mirna Mihovilovic,, Nicholas Hagerty, and Derek Stein, Phys. Rev. Lett. 110, 028102
[2] Chain deformation in translocation phenomena, Farnoush Farahpour,* Azadeh Maleknejad, Fathollah Varnik and Mohammad Reza Ejtehadi, Soft Matter, DOI:10.1039/C2SM27416G.