Elke vrachtwagenchauffeur weet dat hydrauliek het zware werk doet. Water doet het werk omdat het op normale schaal bijna niet samendrukbaar is. Maar de dingen gedragen zich vreemd in nanotechnologie, de controle van materialen op de schaal van atomen en moleculen. Met behulp van supercomputers, wetenschappers vonden een verrassende hoeveelheid watercompressie op nanoschaal. Deze bevindingen kunnen medische diagnostiek helpen bevorderen door het creëren van systemen op nanoschaal die detecteren, identificeren, en sorteer biomoleculen.

Het onverwachte effect komt van de werking van een elektrisch veld op water in zeer nauwe poriën en in zeer dunne materialen. Dat blijkt uit onderzoek van Aleksei Aksimentiev en James Wilson van de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. Ze publiceerden hun bevindingen in Fysieke beoordelingsbrieven , Juni van 2018.

"We ontdekten dat een elektrisch veld water plaatselijk kan comprimeren, en dat watercompressie zou voorkomen dat moleculen door kleine poriën worden getransporteerd, "Zei Aksimentiev. "Dit is een zeer contra-intuïtief effect, omdat gewoonlijk wordt aangenomen dat een hoger elektrisch veld moleculen sneller door de porie zou stuwen. Maar omdat het elektrische veld ook water comprimeert, het resultaat zou het tegenovergestelde zijn. Dat is, het hogere elektrische veld zou geen moleculen doorlaten." In feite, de watercompressie gegenereerd door het hogere elektrische veld duwde DNA-moleculen weg van de nanoporiënkanalen.

Aksimentiev en Wilson werkten met een grafeenmembraan van één atoom dik. Ze prikten er een gat in van 3,5 nanometer breed, net breed genoeg om een ​​DNA-streng door te laten. Een extern elektrisch veld trok het DNA door het gat, zoals het inrijgen van een naald. De nucleotideletters A-C-T-G die ervoor zorgen dat de sporten van het dubbelstrengs DNA signalen produceren als ze door de porie gaan, analoog aan het afspelen van een band in een bandrecorder. Deze methode wordt ontwikkeld, nanoporiënsequencing genoemd, is een alternatief voor conventionele sequencing. Het is niet afhankelijk van polymerasekettingreactie-enzymen om DNA te amplificeren en maakt in theorie veel langere uitlezingen mogelijk.

"We werken al een tijdje aan de studie van nanopore-sequencing, en het doel van het veld is om nanotechnologie te gebruiken om de sequentie van DNA te lezen, RNA, en eiwitten direct, zonder enige vorm van enzymen te gebruiken."

Aksimentiev en Wilson probeerden aanvankelijk in het onderzoek te kwantificeren hoe vaak DNA wordt opgevangen door grafeenporiën. Hun doel is om de vangst en op zijn beurt de opbrengst van DNA te vergroten dat door de nanoporie wordt gesequenced.

"Verrassend genoeg, we ontdekten dat terwijl we dit veld vergrootten om de snelheid van DNA-vangst te verhogen, we ontdekten dat het eigenlijk niet doorgaat na een bepaalde drempelspanning, wat een beetje schokkend was, ' zei Aksimentiev.

"We gingen op zoek naar alle mogelijke dingen die mis konden gaan met onze simulaties, " legde Aksimentiev uit. "We hebben alles gecontroleerd, en we overtuigden onszelf ervan dat dit inderdaad echt was. Het is natuurkunde die tot ons spreekt via simulaties van alle atomen."

Ze maten de kracht van het elektrische veld op de DNA-moleculen, door verschillende DNA-constructies te gebruiken en de concentratie van de elektrolyseoplossing en de grootte van de poriën en van het membraan te variëren. "Van deze metingen we kwamen met het idee dat het watercompressie is die voorkomt dat DNA er doorheen gaat, ' zei Aksimentiev.

Grootte is alles als het gaat om de computationele uitdagingen van het simuleren van de nanoporiën. "Het probleem is dat we rekening moeten houden met de beweging van elk atoom in ons systeem, " zei Aksimentiev. "De systemen bestaan ​​meestal uit 100, 000 atomen. Dat was van cruciaal belang voor de ontdekking van het fenomeen dat we hebben gedaan."

Supercomputertijd werd toegekend via XSEDE, de Extreme Science and Engineering Discover Environment, gefinancierd door de National Science. Fundering. XSEDE-toewijzingen maakten het de onderzoekers mogelijk om de Stampede1- en Stampede2-systemen in het Texas Advanced Computing Center te gebruiken; en Blue Waters bij het National Center for Supercomputing Applications.

Aksimentiev heeft XSEDE het leeuwendeel van het onderzoek op nanoschaal gecrediteerd. "Ik zou zeggen dat we zonder XSEDE niet zouden zijn waar we zijn in ons project. Zonder XSEDE, Ik zie niet in hoe we het werk dat we doen zouden kunnen volbrengen. Het is niet alleen dit project. Het is niet alleen dit systeem, maar er zijn zoveel verschillende systemen die onze groep en andere groepen onderzoeken. Wat ik leuk vind aan XSEDE is dat het toegang geeft tot diverse systemen. De XSEDE-portal zelf is een ander voordeel, omdat ik in één portaal alles kan zien wat er op alle machines gebeurt. Dat maakt het heel eenvoudig om allocaties en banen te beheren, ' zei Aksimentiev.

"Specifiek voor Stampede2, " ging Aksimentiev verder, "we waren in staat om veel simulaties parallel uit te voeren. Het is niet alleen dat onze individuele simulatie veel kernen van Stampede2 gebruikt. we moesten ook simulaties met meerdere kopieën uitvoeren, waar veel simulaties tegelijkertijd worden uitgevoerd. Dat stelde ons in staat om de krachten te meten met de precisie waarmee we konden concluderen over de aard van het fysieke fenomeen. Het is verbazingwekkend hoe snel en hoe nauwkeurig de Stampede2-machine werkt."

James Wilson, een postdoctoraal onderzoeker die samenwerkt met Aksimentiev, voegde eraan toe dat " door de simulaties op Stampede2 uit te voeren, Ik heb twintig simulaties in een paar dagen kunnen afronden, mijn tijd om tot een oplossing te komen enorm verkorten." Hij legde uit dat slechts één NAMD-simulatie van moleculaire dynamica ongeveer twee weken zou duren op lokale werkstations.

"Het belangrijkste, "Aksimentiev zei, "is dat zeer nauwkeurig, nauwkeurige simulaties op grote computers is een ontdekkingshulpmiddel. Dit werk draagt ​​er werkelijk toe bij, omdat we iets anders wilden doen. We ontdekten een nieuw fenomeen in nanoporiën. En we leggen het uit door middel van simulaties. Er zijn zoveel ontdekkingen te doen met computers. Daarom is onderzoek naar supercomputers geld waard."

De volgende stap in dit werk, bevorderde Aksimentiev, is om te kijken of het effect ook optreedt in biologische kanalen en niet alleen bij het grafeenmembraan. Ze onderzoeken ook de mate van sortering en scheiding die mogelijk is voor eiwitten, de cellulaire machinerie van het leven. "Reeds in dit artikel laten we zien dat voor één eiwit, we waren in staat om varianten te onderscheiden. We willen het toepassen op complexere systemen en ook omstandigheden vinden waarbij het effect zich manifesteert op lagere velden, die de toepassing ervan zou uitbreiden naar de detectie van biomarkers, ' zei Aksimentiev.

De studie, "Watercompressiepoorten van nanoporietransport, " werd juni 2018 gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .