Qualsiasi operatore di camion sa che l'idraulica fa il lavoro pesante. L'acqua fa il lavoro perché è quasi incomprimibile a scale normali. Ma le cose si comportano in modo strano nella nanotecnologia, il controllo dei materiali alla scala degli atomi e delle molecole. Usando i supercomputer, gli scienziati hanno scoperto una quantità sorprendente di compressione dell'acqua su scala nanometrica. Questi risultati potrebbero aiutare a far progredire la diagnostica medica attraverso la creazione di sistemi su nanoscala che rilevano, identificare, e ordinare le biomolecole.

L'effetto inaspettato deriva dall'azione di un campo elettrico sull'acqua in pori molto stretti e in materiali molto sottili. Questo è secondo una ricerca di Aleksei Aksimentiev e James Wilson del Dipartimento di Fisica dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. Hanno pubblicato i loro risultati in Lettere di revisione fisica , giugno del 2018.

"Abbiamo scoperto che un campo elettrico può comprimere l'acqua localmente, e che la compressione dell'acqua impedirebbe il trasporto delle molecole attraverso i piccoli pori, " ha detto Aksimentiev. "Questo è un effetto molto controintuitivo, perché di solito si presume che un campo elettrico più elevato spingerebbe le molecole più velocemente attraverso il poro. Ma poiché il campo elettrico comprime anche l'acqua, il risultato sarebbe il contrario. Questo è, il campo elettrico più elevato non consentirebbe il passaggio delle molecole." In effetti, la compressione dell'acqua generata dal campo elettrico superiore ha allontanato le molecole di DNA dai canali dei nanopori.

Aksimentiev e Wilson hanno lavorato con una membrana di grafene dello spessore di un atomo. Hanno praticato un foro largo 3,5 nanometri, abbastanza largo da lasciar passare un filamento di DNA. Un campo elettrico esterno ha tirato il DNA attraverso il foro, come infilare un ago. Le lettere nucleotidiche A-C-T-G che formano i pioli del DNA a doppio filamento producono segnali mentre attraversano il poro, analogo alla riproduzione di un nastro in un registratore. Questo metodo in fase di sviluppo, chiamato sequenziamento dei nanopori, è un'alternativa al sequenziamento convenzionale. Non dipende dagli enzimi della reazione a catena della polimerasi per amplificare il DNA e in teoria consente letture molto più lunghe.

"Lavoriamo già da tempo nello studio del sequenziamento dei nanopori, e l'obiettivo del campo è utilizzare la nanotecnologia per leggere la sequenza del DNA, RNA, e proteine ​​direttamente, senza utilizzare alcun tipo di enzimi."

Aksimentiev e Wilson stavano inizialmente cercando nello studio di quantificare la frequenza con cui il DNA viene catturato dai pori del grafene. Il loro obiettivo è aumentare la cattura e, a sua volta, la resa del DNA sequenziato attraverso il nanoporo.

"Sorprendentemente, abbiamo scoperto che mentre aumentavamo questo campo per aumentare il tasso di cattura del DNA, abbiamo scoperto che in realtà non passa dopo una certa tensione di soglia, che è stato un po' scioccante, " ha detto Aksimentiev.

"Abbiamo iniziato a cercare tutte le cose possibili che potevano andare storte con le nostre simulazioni, " ha spiegato Aksimentiev. "Abbiamo controllato tutto, e ci siamo convinti che questa fosse davvero una cosa reale. È la fisica che ci parla attraverso simulazioni di tutti gli atomi".

Hanno misurato la forza del campo elettrico sulle molecole di DNA, utilizzando diversi costrutti di DNA e variando la concentrazione della soluzione elettrolitica e la dimensione dei pori e della membrana. "Da queste misurazioni, ci è venuta l'idea che è la compressione dell'acqua che impedisce il passaggio del DNA, " ha detto Aksimentiev.

La dimensione è tutto quando si tratta delle sfide computazionali della simulazione dei nanopori. "Il problema è che dobbiamo prendere in considerazione il moto di ogni atomo nel nostro sistema, " ha detto Aksimentiev. "I sistemi in genere sono composti da 100, 000 atomi. Questo è stato di fondamentale importanza per la scoperta del fenomeno che abbiamo fatto".

Il tempo del supercomputer è stato assegnato tramite XSEDE, la scienza e l'ingegneria estreme Scopri l'ambiente, finanziato dalla National Science. Fondazione. Le allocazioni XSEDE hanno consentito ai ricercatori di utilizzare i sistemi Stampede1 e Stampede2 presso il Texas Advanced Computing Center; e Blue Waters presso il Centro nazionale per le applicazioni di supercalcolo.

Aksimentiev ha attribuito a XSEDE la parte del leone nello studio su nanoscala. "Direi che senza XSEDE non saremmo dove siamo nel nostro progetto. Senza XSEDE, Non vedo come saremmo in grado di portare a termine il lavoro che facciamo. Non è solo questo progetto. Non è solo questo sistema, ma ci sono così tanti sistemi diversi che il nostro gruppo e altri gruppi stanno studiando. Quello che mi piace di XSEDE è che dà accesso a diversi sistemi. Il portale XSEDE stesso è un altro vantaggio, perché in un portale posso vedere tutto ciò che accade su tutte le macchine. Ciò semplifica la gestione delle allocazioni e dei lavori, " ha detto Aksimentiev.

"In particolare a Stampede2, "Aksimentiev ha continuato, "siamo stati in grado di eseguire molte simulazioni in parallelo. Non è solo che la nostra simulazione individuale utilizza molti core di Stampede2. Allo stesso tempo, abbiamo anche dovuto eseguire simulazioni di copie multiple, dove vengono eseguite molte simulazioni contemporaneamente. Questo ci ha permesso di misurare le forze con la precisione che ci ha permesso di concludere sulla natura del fenomeno fisico. È incredibile quanto sia veloce e preciso il funzionamento della macchina Stampede2".

James Wilson, un ricercatore post-dottorato che lavora con Aksimentiev, aggiunto che " eseguendo le simulazioni su Stampede2, Sono riuscito a finire venti simulazioni in un paio di giorni, riducendo immensamente il mio tempo per la soluzione." Ha spiegato che solo una simulazione di dinamica molecolare NAMD richiederebbe circa due settimane sulle workstation locali.

"La cosa più importante, "Aksimentiev ha detto, "è molto preciso, simulazioni precise su grandi computer è uno strumento di scoperta. Questo lavoro gli attribuisce veramente, perché abbiamo deciso di fare qualcos'altro. Abbiamo scoperto un nuovo fenomeno nei nanopori. E lo spieghiamo attraverso simulazioni. Ci sono così tante scoperte da fare con i computer. Ecco perché vale la pena finanziare la ricerca sui supercomputer".

Il prossimo passo in questo lavoro, ha promosso Aksimentiev, è vedere se l'effetto si verifica anche nei canali biologici e non solo con la membrana di grafene. Stanno anche esplorando il grado di smistamento e separazione possibile per le proteine, la macchina cellulare della vita. "Già in questo articolo mostriamo che per una proteina, siamo stati in grado di differenziare le varianti. Ci piacerebbe applicarlo a sistemi più complessi e trovare anche condizioni in cui l'effetto si manifesta a campi inferiori, che amplierebbe la sua applicazione alla rilevazione di biomarcatori, " ha detto Aksimentiev.

Lo studio, "Gating a compressione d'acqua del trasporto nanopore, " è stato pubblicato nel giugno del 2018 in Lettere di revisione fisica .