(Phys.org) — Nella continua ricerca di escogitare più velocemente, metodi a basso costo per il sequenziamento del genoma umano, gli scienziati dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno sviluppato un nuovo approccio:le molecole di DNA vengono rilevate facendole passare attraverso uno strato di grafene ristretto incorporato in una membrana allo stato solido contenente un nanoporo (un piccolo foro con un diametro interno di circa 1 nm) , situato in un nanonastro di grafene (GNR). Una caratteristica fondamentale del nuovo paradigma è che le proprietà elettriche del grafene consentono di sintonizzare lo strato in diversi modi distinti, vale a dire, alterando la forma del suo bordo, concentrazione del vettore e posizione dei nanopori, modulando così sia la conduttanza elettrica che la sensibilità alla carica esterna. I ricercatori hanno scoperto che la loro nuova tecnica può rilevare la conformazione rotazionale e posizionale del filamento di DNA, e dimostrato che una membrana di grafene con geometria di contatto del punto quantistico mostra una maggiore sensibilità elettrica rispetto al cosiddetto geometria uniforme della poltrona . Il team ha proposto un dispositivo simile a un transistor ad effetto di campo basato sul grafene per il rilevamento del DNA.

Il prof. Jean-Pierre Leburton ha informato Phys.org sulla ricerca lui e i suoi colleghi – Anuj Girdhar, Chaitanya Sathe e Klaus Schulten – diretti. "Le simulazioni stanno attualmente conducendo sforzi sperimentali su questo argomento specifico, ma modelli di trasporto basati su teoria del funzionale della densità non è in grado di gestire un numero elevato di atomi a causa di risorse computazionali limitate, "Leburton racconta Phys.org , raccontando alcune delle sfide affrontate dagli scienziati. (Teoria del funzionale densità, o DFT, è un metodo di modellazione della meccanica quantistica utilizzato in fisica e chimica per studiare la struttura elettronica dei sistemi a molti corpi.)

"Inoltre, "Leburton continua, "questi modelli sono limitati ai sistemi a stato solido, mentre abbiamo a che fare con un sistema ibrido solido-liquido. Per questa ragione, condizioni fisiche molto semplicistiche e idealistiche sono assunte sui nanonastri di grafene." Tali ipotesi includono larghezze GNR uniformi con bordi perfetti a poltrona o a zigzag, il nanoporo essendo posto al centro del nanonastro di grafene, e un'assenza di perturbazioni elettrostatiche dalla soluzione elettrolitica o dal dielettrico che supporta il nanonastro di grafene. "Nel nostro approccio, usiamo una tecnica tight-binding (TB) multiorbitale in grado di gestire un numero molto maggiore di atomi rispetto a DFT per tenere conto della larghezza GNR non uniforme, i suoi bordi irregolari, e varie dimensioni e posizioni del nanoporo, " Spiega Leburton. (La tecnica TB utilizza una sovrapposizione di funzioni d'onda di atomi isolati situati in ciascun sito atomico per calcolare la struttura elettronica a bande dei solidi.)

"Lo spettro elettronico ottenuto dal modello di legame stretto viene quindi inserito in un modello di trasporto basato su una tecnica di funzione di Green di non equilibrio per calcolare la conduttanza elettrica in configurazioni GNR generali". Una funzione di Green (aka Green) non di equilibrio, o NEGF, può essere usato per risolvere un'equazione differenziale disomogenea con condizioni al contorno in un modo che è approssimativamente analogo all'uso della serie di Fourier nella soluzione di equazioni differenziali ordinarie. Nell'ultima decade, Le tecniche NEGF sono diventate ampiamente utilizzate in aziende, ingegneria, governo, e laboratori accademici per la modellazione di alta polarizzazione, trasporto quantistico di elettroni e lacune in un'ampia varietà di materiali e dispositivi.

"Una delle maggiori sfide nel calcolo della sensibilità del GNR agli oneri esterni deriva dalla diversa natura e origine di quest'ultimo, " sottolinea Leburton. "In particolare, queste sono le cariche statiche nei materiali dielettrici che sostengono, o sandwich, il GNR, e, soprattutto, la carica ionica dinamica nell'elettrolita contenente il DNA, che è in fase liquida." Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica multiscala, dove il GNR e il DNA sono simulati atomisticamente (con una tecnica tight-binding e dinamica molecolare, rispettivamente) mentre l'elettrolita e il dielettrico sono trattati come mezzi continui. "Il primo è simulato come un semiconduttore intrinseco con una grande costante dielettrica e uno pseudo-band gap in presenza di un potenziale autoconsistente, e la carica dielettrica è modellata assumendo una distribuzione fissa statica, " aggiunge Leburton. "Le variazioni potenziali indotte sul GNR e sui bordi dei nanopori sono ottenute in modo autoconsistente risolvendo l'equazione di Poisson, e inserito nel codice NEGF per calcolare la variazione di conduttanza risultante nel GNR."

Un'altra conseguenza del sistema multifase (liquido-solido), con il DNA bersaglio in fase liquida, e il rivelatore è in fase solida, stava rilevando la conformazione rotazionale e posizionale di un filamento di DNA all'interno del nanoporo. "Da un punto di vista computazionale, Leburton nota, "l'interfaccia tra le due fasi è estremamente impegnativa, perché da un lato, il software è specifico per una di queste fasi della materia, mentre d'altra parte, nel caso di sistemi bifase, loro sono, come accennato, limitato a un numero molto piccolo - poche centinaia - di atomi."

Nel mostrare che una membrana di grafene con geometria di contatto a punti quantici mostra una maggiore sensibilità elettrica rispetto a una geometria uniforme a poltrona, Leburton afferma che la sfida principale risiede nella capacità di simulare forme GNR arbitrarie a risoluzione atomica, che, sempre a causa dei metodi tradizionali della teoria del funzionale della densità, limitati a poche centinaia di atomi, porta all'impossibilità di valutare gli effetti a lungo raggio indotti dalla geometria GNR.

In sintesi, il team ha affrontato tutte queste sfide computazionali utilizzando:

• un approccio vincolante in grado di gestire un numero maggiore di atomi, che è necessario per valutare le variazioni di conduttanza in GNR di forma non uniforme indotte da cariche esterne
• un approccio multi-scala per gestire il sistema ibrido bifase, dove il GNR e il DNA sono modellati da un software atomistico, mentre l'elettrolita e i materiali circostanti sono trattati con equazioni di dispositivi a semiconduttore autoconsistenti all'interno del formalismo di Boltzmann-Poisson (un'equazione differenziale che descrive le interazioni elettrostatiche tra molecole in soluzioni ioniche)

Leburton espande il design della membrana proposto dal documento contenente un gate elettrico in una configurazione simile a un transistor ad effetto di campo per un dispositivo di rilevamento del DNA a base di grafene. "La presenza di un gate sopra o sotto la membrana consentirà la regolazione della conduttanza GNR nel regime di sensibilità elettrica ottimale, che altrimenti sarà interamente determinato da due fattori:i bordi irregolari GNR che introducono condizioni al contorno quantomeccaniche incontrollabili sulle funzioni d'onda trasversali dei portatori di carica che producono scattering indesiderato che influenza la conduttanza; e il doping di tipo p intrinseco e incontrollabile della GNR derivante dall'esposizione all'acqua, e la carica negativa parassita nel dielettrico che sostiene o isola il GNR."

Andando avanti, Leburton afferma che per controllare il paesaggio elettrostatico all'interno del nanoporo, la membrana potrebbe incorporare ulteriori strati di grafene, o altri materiali bidimensionali, collegato a sorgenti di tensione. Questi elettrodi aggiuntivi avranno il duplice scopo di controllare il movimento laterale e verticale della molecola di DNA durante la sua traslocazione attraverso il nanoporo. Facendo così, gli scienziati prevedono di ridurre il jitter e il filo interdentale dovuti al movimento termico delle molecole d'acqua e degli ioni nella soluzione, e quindi migliorare l'identificazione di ciascun nucleotide quando passa davanti allo strato di grafene di rilevamento.

"Una delle caratteristiche principali del nostro modello era assumere che il DNA passasse rigidamente attraverso il nanoporo, " Leburton continua. "Oltre a migliorare il nostro approccio multiscala, i prossimi passi della nostra ricerca consisteranno nell'implementare il nostro modello computazionale includendo il movimento termico del DNA attraverso la simulazione della dinamica molecolare; gli effetti di prossimità dei dielettrici che racchiudono lo strato di grafene di rilevamento; l'effetto del gate sulla conduttanza GNR per prestazioni di rilevamento migliorate; gli effetti elettrostatici di ulteriori elettrodi di controllo sulla dinamica molecolare del DNA; e determinare il design ottimale della membrana per elevate prestazioni di sequenziamento."

Per quanto riguarda altre aree oltre la genomica che potrebbero trarre vantaggio dal loro studio, Leburton dice, la loro ricerca contribuirà anche allo sviluppo di nuovi dispositivi bioelettronici miniaturizzati con un'ampia gamma di applicazioni nella medicina personale. "Infatti, "illustra, "se le membrane allo stato solido possono essere energizzate elettronicamente, si possono immaginare che svolgono funzioni simili a quelle delle biocelle, ma con la stimolazione elettrica, controllo e rilevamento. Questo aprirebbe la porta a nuove pratiche in portatile sul posto bioanalisi senza la necessità di lunghe e costose analisi di laboratorio. In un contesto più generale, "conclude, "l'interazione della biologia e della nanoelettronica a livello molecolare - con la possibilità di manipolare le informazioni biologiche da dispositivi elettronici su scala nanometrica - apre nuovi orizzonti nella tecnologia di elaborazione dell'informazione sfruttando la capacità biologica di immagazzinare enormi quantità di informazioni, da una parte, e la capacità della tecnologia dei semiconduttori di elaborarlo rapidamente, affidabile e a basso costo, dall'altra."

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