La rivoluzionaria 'camera di tracciamento del DNA' potrebbe rilevare la materia oscura

Forse la razza più grande e più ferocemente contestata nella scienza moderna è la ricerca della materia oscura.

I fisici non possono vedere questa roba, da qui il nome. Tuttavia, ne deducono l'esistenza perché possono vedere la sua influenza gravitazionale sulla struttura delle galassie e sugli ammassi di galassie. Implica che l'universo sia pieno di materia oscura, molto di più della materia visibile che possiamo vedere

Se hanno ragione, la materia oscura deve riempire la nostra galassia e il nostro sistema solare. In questo preciso istante, dovremmo farci strada attraverso un denso mare di materia oscura mentre il Sole si muove verso la costellazione del Cigno mentre orbita attorno al centro galattico.

Ecco perché vari gruppi stanno correndo per rilevare questa roba usando costosi rilevatori in profonde caverne sotterranee, che li proteggono dalle radiazioni che altrimenti sommergerebbero il segnale.

Questi esperimenti stanno cercando la firma unica che si pensa produca la materia oscura come risultato del passaggio della Terra intorno al Sole. Durante una metà dell'anno, la materia oscura forma vento contrario quando la Terra vi penetra; per l'altra metà dell'anno forma vento in poppa.

In effetti, un paio di gruppi affermano di aver trovato esattamente questa firma diurna, sebbene i risultati siano molto controversi e sembrino essere in diretto conflitto con altri gruppi che affermano di non averlo visto.

C'è un modo semplice per fare osservazioni migliori che dovrebbero risolvere questo enigma. Il segnale della materia oscura dovrebbe variare, non solo nel corso di un anno, ma durante la giornata mentre la Terra ruota.

Il vento contrario della materia oscura dovrebbe provenire dalla direzione del Cigno, quindi un rivelatore adatto dovrebbe vedere il cambiamento di direzione mentre la Terra ruota ogni giorno.

C'è un problema, tuttavia: nessuno ha costruito un rilevatore direzionale di materia oscura.

Ecco perché una nuova idea rivoluzionaria da un'improbabile collaborazione di fisici e biologi sembra piuttosto eccitante. Il gruppo riunisce persone diverse, come Katherine Freese dell'Università del Michigan ad Ann Arbor, astrofisica e uno dei principali pensatori nel campo della materia oscura, e George Church dell'Università di Harvard a Cambridge, genetista e pioniere della l'area del sequenziamento del genoma.

Questi ragazzi affermano di poter superare i problemi con il rilevamento convenzionale della materia oscura utilizzando il DNA per individuare le particelle di materia oscura.

Il loro rilevatore è non convenzionale, per non dire altro. La sua unità di rilevamento di base è costituita da un sottile foglio d'oro con molti filamenti di DNA a singolo filamento appesi, come tende di perline o una foresta sospesa. Ogni filamento di DNA è identico tranne che per un'etichetta all'estremità libera, che identifica dove si trova sul foglio d'oro.

L'idea è che una particella di materia oscura si schianti in un pesante nucleo d'oro nel foglio, facendolo fuggire fuori dalla lamina d'oro e attraverso la foresta del DNA. Il nucleo d'oro quindi taglia i filamenti di DNA mentre viaggia, tagliando una striscia attraverso la foresta.

Questi fili cadono su un vassoio di raccolta sottostante, che viene rimosso ogni ora circa. I segmenti possono quindi essere copiati molte volte utilizzando una reazione a catena della polimerasi, amplificando così il segnale un miliardo di volte.

Poiché la sequenza e la posizione di ciascun filo sono note, è semplice capire dove è stato tagliato, il che consente di ricostruire il passaggio della particella d'oro con una precisione nanometrica.

L'intero rivelatore è costituito da centinaia o migliaia di questi fogli inseriti tra fogli di mylar, come le pagine di un libro. In totale, un rivelatore delle dimensioni di una cassa del tè richiederebbe circa un chilogrammo d'oro e circa 100 grammi di DNA a singolo filamento.

Il vantaggio di questo design è molteplice. Innanzitutto, la sequenza del DNA determina la posizione verticale del taglio entro le dimensioni di un nucleotide. Quel tipo di risoluzione nanometrica è di molti ordini di grandezza migliore di quanto sia possibile oggi.

In secondo luogo, questo rivelatore funziona a temperatura ambiente, a differenza di altri progetti che devono essere raffreddati per misurare l'energia prodotta dalle collisioni di materia oscura.

E infine, i fogli di mylar rendono direzionale il rilevatore. Ogni foglio dovrebbe assorbire il nucleo d'oro di questa energia dopo che è passato attraverso la foresta del DNA. Eventuali nuclei di energia superiore, ad esempio dalle radiazioni di fondo o dai raggi cosmici, dovrebbero passare attraverso diverse 'pagine', che consentono di individuarli ed escluderli.

Con il dispositivo rivolto in una direzione, una particella di materia oscura colpisce un nucleo d'oro, spingendolo nella foresta del DNA. Ma nell'altro, il nucleo d'oro viene spinto in un foglio di mylar dove viene assorbito. Questo è ciò che lo rende direzionale: il rilevatore dovrebbe registrare solo eventi provenienti da una direzione.

Ciò dovrebbe consentire al dispositivo di individuare il cambiamento nel segnale della materia oscura ogni giorno, il che a sua volta dovrebbe rendere il rilevamento molto meno impegnativo dal punto di vista statistico.

È un'idea affascinante che potrebbe generare molto interesse. Tuttavia, non è privo di alcune sfide.

Innanzitutto, nessuno sa veramente come i nuclei d'oro altamente ionizzati e in rapido movimento interagiranno con i singoli filamenti di DNA o addirittura con le loro foreste. Questo è qualcosa che il team intende studiare in dettaglio prima di poter costruire un rivelatore.

Poi c'è la sfida di creare filamenti di DNA abbastanza lunghi da presentare una 'foresta' ragionevole per il passaggio dei nuclei d'oro. Church, Freese e co dicono che vorrebbero filamenti composti da 10.000 basi per creare una foresta che assorbe interamente l'energia di un nucleo d'oro che la attraversa.

Al contrario, gli array standard offrono filamenti di DNA con solo 250 basi circa. Questi ragazzi dicono che probabilmente dovranno accontentarsi di fili di circa 1000 basi.

I filamenti di DNA devono anche pendere verso il basso, piuttosto che accartocciati. È un compito arduo per l'area di un metro quadrato o giù di lì che il rilevatore coprirà. A questa scala, i campi elettrici e magnetici prevalgono sulla gravità e sono probabilmente una seccatura, in particolare quando si tratta di raccogliere il DNA reciso.

Quindi il team dovrà ideare una sorta di 'pettine' del DNA che raddrizzi i capelli. Un'idea è attaccare un minuscolo magnete all'estremità libera di ciascun filo, permettendogli di essere tirato verso il basso.

Anche i filamenti di DNA dovranno essere costituiti da carbonio-12 e 13, poiché il carbonio-14 è naturalmente radioattivo e altrimenti produrrebbe un sibilo indesiderato di rumore di fondo. Usare solo carbonio molto vecchio, in cui tutto il carbonio-14 è decaduto, dovrebbe funzionare.

Infine, c'è la significativa sfida ingegneristica nella creazione di array di DNA quadrati metrici, raccogliendo vassoi che catturano i filamenti di DNA recisi e inserendoli del tutto in un rivelatore funzionante.

Ci sono più di alcune incognite in questo approccio che lo rende ad alto rischio. Ma c'è anche un alto potenziale di guadagno perché altri progetti per rivelatori direzionali di materia oscura sono enormi, complessi e potenzialmente molto più costosi da costruire e gestire. Ciò rende questo approccio entusiasmante.

Gli scopritori della materia oscura sono una scarpa per un premio Nobel. Data questa posta in gioco, potremmo vedere qualche investimento in questa idea prima piuttosto che dopo.

Ma ci sono anche ragioni per essere prudenti. Una piccola ma rumorosa minoranza di fisici afferma che la materia oscura non esiste, che altre idee spiegano meglio la struttura delle galassie.

Se hanno ragione, un giorno guarderemo indietro a questi sforzi nello stesso modo in cui pensiamo alla ricerca del flogisto o al dibattito sull'emergere spontaneo di forme di vita inferiori: come un cul de sac moderatamente divertente della fisica del 21° secolo .

Rif: arxiv.org/abs/1206.6809 : Nuovi rilevatori di materia oscura che utilizzano il DNA per il monitoraggio dei nanometri

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