Hoe langer het DNA-molecuul, hoe sneller

De manier waarop biomoleculen als DNA bewegen in kleine vloeistofkanaaltjes is van eminent belang voor moderne toepassingen in de bioanalyse. De zogenoemde labs-on-a-chip werken bijzonder efficiënt door zeer kleine hoeveelheden vloeistof en biomoleculen door deze kleine vloeistofkanaaltjes (nanokanaaltjes) te laten stromen en te analyseren.

Inmiddels is het mogelijk om vloeistofkanaaltjes te maken die zo klein zijn als één enkel DNA-molecuul.

Postdoc Derek Stein, student Wiepke Koopmans, promovendus Frank van der Heijden en groepsleider Cees Dekker van het Kavli Institute of Nanoscience van de Technische Universiteit Delft en de Stichting FOM lieten DNA-moleculen door rechthoekige vloeistofkanaaltjes met een hoogte van slechts enkele micrometers stromen door middel van een drukverschil. Het bleek dat DNA-moleculen met verschillende lengtes met verschillende snelheden door de kanaaltjes stromen. Hoe langer het molecuul, hoe sneller het beweegt.

De verklaring voor dit effect ligt in het enorme aantal vormen dat een flexibel polymeer als DNA kan aannemen. De (random) thermische beweging van een polymeer zorgt ervoor dat het polymeer er uitziet als een losjes opgerolde bal wol . Hoe langer het molecuul, hoe groter die bal gemiddeld is. Grote moleculen (ballen) bevinden zich vaker in het midden van de stroming door het kanaal dan kleine moleculen (ballen). De stroomsnelheid in het midden van het kanaal is hoger dan aan de randen, waardoor langere DNA-moleculen een hogere snelheid krijgen dan kortere.

Omdat de snelheid van de DNA-moleculen afhankelijk is van hun lengte, kunnen ze met behulp van de nanokanaaltjes op lengte worden gesorteerd.

Normaal gesproken gebeurt dit sorteren met gel electroforese. De rechthoekige kanaaltjes die de Delftenaren gebruiken, bieden echter een simpelere en beter afstelbare methode waar deze scheiding kan plaatsvinden op het niveau van een enkel molecuul en zonder extra moleculaire labels.

Bovendien kan men ook zeer lange moleculen scheiden, hetgeen nu nog lastig is met gel electroforese.

Het gedrag van de DNA- moleculen wordt overigens vreemder als de afmetingen van de kanaaltjes nog kleiner worden gemaakt. In kanaaltjes die minder dan één micrometer hoog zijn, krijgen moleculen van alle lengtes namelijk uiteindelijk dezelfde snelheid. Dit resultaat wordt verklaard door de extreme nabijheid van de wanden, waardoor het aantal vormen dat een molecuul kan aannemen, wordt beperkt. Alle moleculen bewegen dan als in elkaar gedrukte afgeplatte ballen.