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  • L'acqua si comprime sotto un campo elettrico ad alto gradiente

    Rappresentazione di un nanoporo in una membrana di grafene dello spessore di un atomo che focalizza il campo elettrico e comprime l'acqua all'interno del poro. Le simulazioni al computer hanno rivelato che l'acqua compressa blocca il passaggio delle biomolecole attraverso il poro, senza la presenza di porte fisiche. Credito:A Aksimentiev e J. Wilson, Università dell'Illinois a Urbana-Champaign

    La civiltà moderna si basa sull'incomprimibilità dell'acqua:è qualcosa che diamo per scontato. I sistemi idraulici sfruttano la virtuale non comprimibilità di fluidi come acqua o olio per moltiplicare la forza meccanica. Bulldozer, gru, e altri macchinari pesanti sfruttano la fisica dell'idraulica, così come i freni delle automobili, sistemi antincendio a pioggia, e sistemi idrici e di scarico municipali. Ci vuole una pressione straordinaria per comprimere l'acqua. Anche in fondo agli oceani più profondi, due miglia e mezzo sotto la superficie, dove la pressione è pari a circa 1000 atmosfere, l'acqua è compressa solo del 5%.

    Ma ora gli scienziati dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno previsto una nuova fisica che regola la compressione dell'acqua sotto un campo elettrico ad alto gradiente.

    Il professore di fisica Aleksei Aksimentiev e il suo ricercatore post-dottorato James Wilson hanno scoperto che un campo elettrico elevato applicato a un minuscolo foro in una membrana di grafene comprime le molecole d'acqua che viaggiano attraverso il poro del 3%. La prevista compressione dell'acqua potrebbe eventualmente rivelarsi utile nel filtraggio ad alta precisione delle biomolecole per la ricerca biomedica.

    Questi risultati sono stati pubblicati il ​​26 giugno 2018, in Lettere di revisione fisica (120, 268101) come suggerimento dell'editore. Aksimentiev osserva, "Questo è un fenomeno inaspettato, contrariamente a quanto pensavamo di sapere sul trasporto dei nanopori. Ci sono voluti tre anni per capire cosa ci stavano mostrando le simulazioni. Dopo aver esplorato molte potenziali soluzioni, la svolta è arrivata quando ci siamo resi conto che non dovevamo presumere che l'acqua fosse incomprimibile. Ora che abbiamo capito cosa sta succedendo nelle simulazioni al computer, siamo in grado di riprodurre questo fenomeno in calcoli teorici."

    In condizioni di basso campo elettrico, Il DNA viene tirato attraverso il poro. Credito:A Aksimentiev e J. Wilson, Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.

    Gli scienziati hanno intrapreso questo studio per testare nuovi metodi nel sequenziamento del DNA grafene-nanopori. Negli ultimi due anni, i nanopori di grafene hanno mostrato enormi promesse per il sequenziamento del DNA poco costoso. Il modo in cui funziona, Il DNA è sospeso in acqua e poi il DNA, acqua e ioni vengono trascinati da un campo elettrico attraverso un minuscolo foro in una membrana di grafene. Il campo elettrico applicato attraverso il foglio di grafene attrae gli ioni disciolti e qualsiasi particella carica:il DNA è una particella carica negativamente. Le quattro basi azotate del DNA vengono lette come le differenze nel flusso di ioni prodotte da ciascuna base a forma distinta.

    La dimensione del foro e la sottigliezza del foglio sono fondamentali per questo metodo. Il foglio di grafene è spesso solo un atomo, il diametro del nanoporo misura solo circa 3 nanometri o la larghezza di 10 atomi, e le molecole di DNA misurano circa 2 nanometri di larghezza.

    In questo studio, Aksimentiev e Wilson hanno deciso di sviluppare un modello computazionale che consentisse loro di controllare la velocità di trasporto del DNA attraverso un nanoporo di grafene. Sapevano che l'aumento del campo elettrico applicato dovrebbe aumentare la velocità di trasporto dello stesso multiplo, ma quando decuplicarono il campo, il DNA era completamente bloccato dal passaggio attraverso il foro.

    Wilson descrive ciò che ha visto nella simulazione:"Stavamo cercando di vedere se abbiamo cambiato la carica sul foglio di grafene, se ciò cambierebbe il tasso di cattura del DNA come previsto. Le nostre simulazioni hanno mostrato che il DNA passa attraverso il nanoporo come previsto a campi elettrici inferiori, ma quando applichi 1 volt, il DNA sembra danzare sopra il nanoporo, come se volesse attraversarlo, ma per qualche ragione non può.

    Il DNA viene respinto dal poro ad alto campo elettrico. Credito:A Aksimentiev e J. Wilson, Università dell'Illinois a Urbana-Champaign

    "Si scopre che il gradiente del campo elettrico è ciò che comprime l'acqua, perché l'acqua è un dielettrico. Un campo elettrico molto alto non lo farà, solo un campo che cambia nello spazio. Le cariche sulla molecola d'acqua si allineano con il campo elettrico, e le cariche che sono più vicine dove il campo elettrico è più alto vengono tirate più forte delle cariche più vicine dove il campo elettrico è più debole."

    Aksimentiev aggiunge, "Tutto questo funziona solo perché la membrana è così sottile, e il campo elettrico è focalizzato dove si trova la membrana, comprimendo la molecola d'acqua da entrambi i lati. La compressione è solo del 3%, ma questo pressurizza l'acqua—è equivalente a 100 atmosfere—e la pressione fondamentalmente spinge indietro il DNA in modo che non possa viaggiare attraverso il nanoporo". Wilson continua, "Once we worked out what was actually happening is compression of the water, we spoke with experimentalists working with graphene nanopores. We've learned that this phenomenon may already have been observed in the laboratory. Apparently people have seen it, but they couldn't explain it. The experiments will need to be repeated to validate our theory."

    Aksimentiev concludes, "We had originally set out to use this work for DNA sequencing. But now we think we can use it for identifying and separating biomolecules that are very similar but have some small difference. For example, you could have many of the same protein, but some might carry one very small mark—one posttranslational modification—that alters its charge. That difference of just one electron would determine whether the molecule passes through the nanopore or not, because that's a function of charge. So we could potentially use this new phenomenon of water compression to very precisely filter biomolecules."


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