伊利诺伊大学香槟分校 边缘螺旋向下的实验室工程化膜缺陷，除了沉入纳米孔进行递送、分类和分析之外，不会给像DNA、RNA和蛋白质这样的生物分子其他选择
信用:Manish Shankla 在观察用于脱氧核糖核酸分类和测序的多孔膜的生产过程中，伊利诺伊大学的研究人员想知道在制造过程中形成的微小阶梯状缺陷是如何用于改善分子运输的
他们发现由膜层重叠形成的缺陷对分子如何沿着膜表面移动有很大影响
该团队没有试图修复这些缺陷，而是开始使用它们来帮助引导分子进入膜孔
他们的发现发表在《自然纳米技术》杂志上
纳米孔膜在生物医学研究中引起了兴趣，因为它们帮助研究人员通过将它们拉进孔中进行物理和化学表征来逐个原子地研究单个分子
这项技术可能最终导致能够为个性化医疗快速测序脱氧核糖核酸、核糖核酸或蛋白质的设备
2014年，伊利诺伊大学物理学教授阿列克谢·阿克西蒂耶夫(Aleksei Axitimiev)和研究生马尼什·山克拉(Manish Shankla)展示了一种石墨烯薄膜，它通过电荷的方式控制阿莫分子在纳米孔中的运动
他们发现，一旦分子在膜的表面，就很难让它们进入膜的孔中，因为分子喜欢粘在表面上
在荷兰代尔夫特理工大学休假期间，阿克西蒂耶夫发现，脱氧核糖核酸往往会沿着制造形成的缺陷的边缘积累和粘附，这些缺陷以跨越膜表面的线性台阶的形式出现
伊利诺伊团队的目标是找到一种方法，利用这些缺陷将粘附的分子引导到纳米孔中，这一原理也可以应用于生物分子的输送、分类和分析
为了完善和证实他们的观察，研究人员使用伊利诺伊州国家超级计算应用中心的蓝水超级计算机和XSEDE超级计算机在原子水平上模拟系统和分子运动场景
一个超级计算机模拟的DNA分子，在一个力的引导下，沿着石墨烯薄膜的表面上下移动制造形成的阶梯缺陷
信用:Manish Shankla “分子动力学模拟让我们观察正在发生的事情，同时测量需要多大的力才能让分子跳过一步，”阿克西蒂耶夫说
“我们惊讶地发现，将一个分子下移一步比上移一步所需的力要小
虽然从直觉上来看，重力会让下台变得更容易，但事实并非如此，因为重力在纳米尺度上可以忽略不计，上下移动所需的力应该是相同的
" 阿克西蒂耶夫说，研究小组成员最初认为他们可以使用孔周围形成的同心缺陷模式来迫使分子向下，但他们的模拟显示分子沿着台阶的边缘聚集
这时他们才明白:一个边缘螺旋进入孔隙的缺陷，加上施加的定向力，将使分子除了进入孔隙之外别无选择——有点像排水管
“通过这种方式，我们可以将分子放在覆盖着这些螺旋结构的膜的任何地方，然后将分子拉入一个孔中，”他说
他们说，研究人员还没有在实验室制造出带有螺旋缺陷的薄膜，但这项任务可能比试图去除石墨烯薄膜目前的分子固定台阶缺陷更容易
“当大规模生产时，与目前的技术相比，缺陷引导捕获可能潜在地增加几个数量级的脱氧核糖核酸捕获通量，”尚克拉说
“经过漫长的发展过程，我们很高兴看到这一原理被用于各种其他材料和应用，例如将单个分子输送到反应室进行实验，”研究人员说
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