(Phys.org) —In de voortdurende zoektocht naar snellere, goedkopere methoden voor het sequencen van het menselijk genoom, wetenschappers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben een nieuwe benadering ontwikkeld:DNA-moleculen worden gedetecteerd door ze door een laag vernauwd grafeen te leiden dat is ingebed in een vastestofmembraan dat een nanoporie bevat (een klein gaatje met een interne diameter van ongeveer 1 nm) , gelokaliseerd in een grafeen nanoribbon (GNR). Een cruciaal kenmerk van het nieuwe paradigma is dat de elektrische eigenschappen van grafeen het mogelijk maken om de laag op verschillende manieren af ​​te stemmen, namelijk:de vorm van de rand veranderen, dragerconcentratie en nanoporiënlocatie - waardoor zowel de elektrische geleiding als de externe ladingsgevoeligheid wordt gemoduleerd. De onderzoekers ontdekten dat hun nieuwe techniek de rotatie- en positionele conformatie van de DNA-streng kan detecteren, en toonde aan dat een grafeenmembraan met kwantumpuntcontactgeometrie vertoont een grotere elektrische gevoeligheid dan bij zogenaamde uniforme fauteuilgeometrie . Het team heeft een op grafeen gebaseerd veldeffecttransistorachtig apparaat voor DNA-detectie voorgesteld.

Prof. Jean-Pierre Leburton informeerde Phys.org over het onderzoek dat hij en zijn collega's – Anuj Girdhar, Chaitanya Sathe en Klaus Schulten – gedirigeerd. "Simulaties leiden momenteel experimentele inspanningen op dit specifieke onderwerp - maar transportmodellen gebaseerd op Dichtheid functionele theorie kan niet omgaan met een groot aantal atomen vanwege beperkte rekenkracht, "Leburton vertelt" Phys.org , vertellen over enkele van de uitdagingen waarmee de wetenschappers werden geconfronteerd. (Dichtheid functionele theorie, of DFT, is een kwantummechanische modelleringsmethode die in de natuurkunde en scheikunde wordt gebruikt om de elektronische structuur van veellichamensystemen te onderzoeken.)

"In aanvulling, "Leburton vervolgt, "deze modellen zijn beperkt tot solid-state systemen, terwijl we te maken hebben met een hybride vast-vloeistofsysteem. Om deze reden, zeer simplistische en idealistische fysieke omstandigheden worden aangenomen op grafeen nanoribbons." Dergelijke aannames omvatten uniforme GNR-breedten met perfecte fauteuil of zigzagranden, de nanopore wordt in het midden van het grafeen nanoribbon geplaatst, en een afwezigheid van elektrostatische verstoringen van ofwel de elektrolytische oplossing of het diëlektricum dat het grafeen nanolint ondersteunt. we gebruiken een multiorbital tight-binding (TB) techniek die een veel groter aantal atomen aankan dan DFT om rekening te houden met de niet-uniforme GNR-breedte, zijn onregelmatige randen, en verschillende maten en posities van de nanoporie, " legt Leburton uit. (De TB-techniek gebruikt een superpositie van golffuncties van geïsoleerde atomen die zich op elke atoomlocatie bevinden om de elektronische bandstructuur van vaste stoffen te berekenen.)

"Het elektronische spectrum verkregen uit het strakke bindingsmodel wordt vervolgens ingevoerd in een transportmodel op basis van een niet-evenwichts-groene functietechniek om de elektrische geleiding in algemene GNR-configuraties te berekenen." Een niet-evenwichtsfunctie van Green (ook bekend als Green's), of NEGF, kan worden gebruikt om een ​​inhomogene differentiaalvergelijking met randvoorwaarden op te lossen op een manier die ruwweg analoog is aan het gebruik van Fourierreeksen bij het oplossen van gewone differentiaalvergelijkingen. Over de afgelopen tien jaar, NEGF-technieken worden veel gebruikt in bedrijven, Engineering, regering, en academische laboratoria voor het modelleren van high-bias, kwantumelektron- en gatentransport in een grote verscheidenheid aan materialen en apparaten.

"Een van de grootste uitdagingen bij het berekenen van de GNR-gevoeligheid voor externe kosten komt voort uit de verschillende aard en oorsprong van laatstgenoemde, " merkt Leburton op. "Specifiek, dit zijn de statische lading in de ondersteunende diëlektrische materialen, of sandwichen, de GNR, en – belangrijker nog – de dynamische ionische lading in de elektrolyt die het DNA bevat, die zich in de vloeibare fase bevindt." Om dit aan te pakken, de onderzoekers gebruikten een multi-scale techniek, waarbij de GNR en het DNA atomistisch worden gesimuleerd (met een strakke bindingstechniek en moleculaire dynamica, respectievelijk) terwijl de elektrolyt en het diëlektricum worden behandeld als continuümmedia. "De eerste wordt gesimuleerd als een intrinsieke halfgeleider met een grote diëlektrische constante en een pseudo-bandafstand in de aanwezigheid van een zelfconsistent potentieel, en de diëlektrische lading wordt gemodelleerd door uit te gaan van een statische vaste verdeling, " Leburton voegt toe. "De geïnduceerde potentiële variaties op de GNR- en nanoporieranden worden zelfconsistent verkregen door de Poisson-vergelijking op te lossen, en ingevoerd in de NEGF-code om de resulterende geleidingsvariatie in de GNR te berekenen."

Een ander gevolg van het systeem dat uit meerdere fasen bestaat (vloeibaar-vast), met het DNA-doel in de vloeibare fase, en de detector is in vaste fase, was het detecteren van de roterende en positionele conformatie van een DNA-streng in de nanoporie. "Vanuit een computationeel oogpunt, Leburton merkt op, "het raakvlak tussen de twee fasen is buitengewoon uitdagend, omdat aan de ene kant software specifiek is voor een van deze materiefasen, terwijl aan de andere kant, in het geval van tweefasige systemen, zij zijn, zoals genoemd, beperkt tot een zeer klein aantal - een paar honderd - atomen."

Door aan te tonen dat een grafeenmembraan met kwantumpuntcontactgeometrie een grotere elektrische gevoeligheid vertoont dan een uniforme fauteuilgeometrie, Leburton zegt dat de grootste uitdaging ligt in het vermogen om willekeurige GNR-vormen met atomaire resolutie te simuleren, wat - opnieuw omdat traditionele methoden voor dichtheidsfunctionaaltheorie beperkt zijn tot slechts een paar honderd atomen - leidt tot het onvermogen om effecten op lange afstand te beoordelen die worden veroorzaakt door GNR-geometrie.

Samengevat, het team heeft al deze computationele uitdagingen aangepakt door gebruik te maken van:

• een strak bindende benadering die een groter aantal atomen aankan, die nodig is om de geleidingsveranderingen in GNR's van niet-uniforme vorm te beoordelen die worden veroorzaakt door externe ladingen
• een multischaalbenadering om het hybride tweefasensysteem aan te pakken, waar de GNR en DNA worden gemodelleerd door atomistische software, terwijl de elektrolyt en de omringende materialen worden behandeld met zelfconsistente vergelijkingen van halfgeleiderapparaten binnen het Boltzmann-Poisson-formalisme (een differentiaalvergelijking die elektrostatische interacties tussen moleculen in ionische oplossingen beschrijft)

Leburton gaat dieper in op het voorgestelde membraanontwerp van het artikel dat een elektrische poort bevat in een configuratie die lijkt op een veldeffecttransistor voor een op grafeen gebaseerd DNA-detectieapparaat. "De aanwezigheid van een poort op of onder het membraan zal het mogelijk maken om de GNR-geleiding in het optimale elektrische gevoeligheidsregime af te stemmen, die anders volledig door twee factoren wordt bepaald:de onregelmatige randen van de GNR die oncontroleerbare kwantummechanische randvoorwaarden introduceren op de transversale golffuncties van ladingsdragers die ongewenste verstrooiing veroorzaken die de geleiding beïnvloedt; en de inherente en oncontroleerbare p-type doping van de GNR als gevolg van blootstelling aan water, en de parasitaire negatieve lading in het diëlektricum dat de GNR ondersteunt of isoleert."

Vooruit gaan, Leburton zegt dat om het elektrostatische landschap in de nanoporiën te beheersen, het membraan kan extra grafeenlagen bevatten, of andere tweedimensionale materialen, aangesloten op spanningsbronnen. Deze extra elektroden hebben het dubbele doel om de laterale en verticale beweging van het DNA-molecuul te regelen tijdens de translocatie door de nanoporie. Door dat te doen, de wetenschappers verwachten de jitter en het flossen als gevolg van thermische beweging van watermoleculen en ionen in de oplossing te verminderen, en daardoor de identificatie van elk nucleotide te verbeteren wanneer het voor de detecterende grafeenlaag passeert.

"Een van de belangrijkste kenmerken van ons model was om aan te nemen dat het DNA star door de nanopore gaat, "Leburton gaat verder. "Naast het verbeteren van onze multi-schaalbenadering, de volgende stappen in ons onderzoek zullen bestaan ​​uit het implementeren van ons rekenmodel door de thermische beweging van het DNA op te nemen door middel van moleculaire dynamische simulatie; de nabijheidseffecten van diëlektrica tussen de detecterende grafeenlaag; het effect van de poort op de GNR-geleiding voor verbeterde detectieprestaties; de elektrostatische effecten van extra stuurelektroden op de moleculaire dynamiek van DNA; en het bepalen van het optimale membraanontwerp voor hoge sequencingprestaties."

Wat betreft andere gebieden buiten genomica die baat kunnen hebben bij hun onderzoek, Leburton zegt, hun onderzoek zal ook bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe geminiaturiseerde bio-elektronische apparaten met een breed scala aan toepassingen in de persoonlijke geneeskunde. "Inderdaad, " illustreert hij, "Als solid-state membranen elektronisch kunnen worden geactiveerd, men kan zich voorstellen dat ze soortgelijke functies vervullen als biocellen, maar met elektrische stimulatie, controle en detectie. Dit zou de deur openen naar nieuwe praktijken in portable ter plaatse bioanalyse zonder de noodzaak van kostbare en tijdrovende laboratoriumanalyses. In een meer algemene context, " concludeert hij, "de interactie van biologie en nano-elektronica op moleculair niveau - met de mogelijkheid om biologische informatie te manipuleren door elektronische apparaten op nanoschaal - opent nieuwe horizonten in informatieverwerkingstechnologie door gebruik te maken van het biologische vermogen om enorme hoeveelheden informatie op te slaan, aan de ene kant, en het vermogen van halfgeleidertechnologie om het snel te verwerken, betrouwbaar en tegen lage kosten, op de andere."

© 2013 Phys.org. Alle rechten voorbehouden.