(Phys.org) —Na busca contínua para inventar mais rápido, métodos de baixo custo para sequenciamento do genoma humano, cientistas da Universidade de Illinois em Urbana – Champaign desenvolveram uma nova abordagem:as moléculas de DNA são detectadas passando-as através de uma camada de grafeno constrito embutido em uma membrana de estado sólido contendo um nanoporo (um pequeno orifício com um diâmetro interno de aproximadamente 1 nm) , localizado em um nanoribão de grafeno (GNR). Uma característica crítica do novo paradigma é que as propriedades elétricas do grafeno permitem que a camada seja sintonizada de várias maneiras distintas - a saber, alterando a forma de sua borda, concentração de portadores e localização de nanoporos - modulando assim a condutância elétrica e a sensibilidade de carga externa. Os pesquisadores descobriram que sua nova técnica pode detectar a conformação rotacional e posicional da fita de DNA, e demonstrou que uma membrana de grafeno com geometria de contato de ponto quântico exibe maior sensibilidade elétrica do que com os chamados geometria uniforme da poltrona . A equipe propôs um dispositivo semelhante a um transistor de efeito de campo baseado em grafeno para detecção de DNA.

Prof. Jean-Pierre Leburton informado Phys.org na pesquisa que ele e seus colegas - Anuj Girdhar, Chaitanya Sathe e Klaus Schulten - conduzido. "As simulações estão atualmente liderando os esforços experimentais neste tópico específico - mas modelos de transporte baseados em teoria da densidade funcional não pode lidar com um grande número de átomos devido a recursos computacionais limitados, "Leburton conta Phys.org , recontando alguns dos desafios que os cientistas enfrentaram. (Teoria da densidade funcional, ou DFT, é um método de modelagem mecânica quântica usado em física e química para investigar a estrutura eletrônica de sistemas de muitos corpos.)

"Além disso, "Leburton continua, "esses modelos são restritos a sistemas de estado sólido, enquanto estamos lidando com um sistema híbrido sólido-líquido. Por esta razão, condições físicas muito simplistas e idealistas são assumidas nas nanofitas de grafeno. "Essas suposições incluem larguras GNR uniformes com poltrona perfeita ou bordas em zigue-zague, o nanoporo sendo colocado no centro da nanofita de grafeno, e uma ausência de perturbações eletrostáticas da solução eletrolítica ou do dielétrico que suporta a nanofita de grafeno. "Em nossa abordagem, usamos uma técnica multiorbital tight-binding (TB) que pode lidar com um número muito maior de átomos do que DFT para contabilizar a largura GNR não uniforme, suas bordas irregulares, e vários tamanhos e posições do nanoporo, "Leburton explica. (A técnica de TB usa uma sobreposição de funções de onda de átomos isolados localizados em cada sítio atômico para calcular a estrutura de banda eletrônica de sólidos.)

"O espectro eletrônico obtido a partir do modelo de ligação estreita é então alimentado em um modelo de transporte baseado em uma técnica de função de Green fora de equilíbrio para calcular a condutância elétrica em configurações GNR gerais." Uma função de Green (também conhecida como Green) de não equilíbrio, ou NEGF, pode ser usado para resolver uma equação diferencial não homogênea com condições de contorno de uma forma que é aproximadamente análoga ao uso da série de Fourier na solução de equações diferenciais ordinárias. Na última década, As técnicas de NEGF tornaram-se amplamente utilizadas em empresas, Engenharia, governo, e laboratórios acadêmicos para modelagem de alta polarização, Transporte quântico de elétrons e lacunas em uma ampla variedade de materiais e dispositivos.

"Um dos maiores desafios no cálculo da sensibilidade do GNR às cargas externas surge das diferentes naturezas e origens destas, "Leburton aponta." Especificamente, estes são a carga estática nos materiais dielétricos de suporte, ou sanduíche, o GNR, e - o mais importante - a carga iônica dinâmica no eletrólito que contém o DNA, que está em fase líquida. "Para resolver isso, os pesquisadores usaram uma técnica multi-escala, onde o GNR e o DNA são simulados atomisticamente (com uma técnica de ligação forte e dinâmica molecular, respectivamente) enquanto o eletrólito e o dielétrico são tratados como meio contínuo. "O primeiro é simulado como um semicondutor intrínseco com grande constante dielétrica e um pseudo-band gap na presença de um potencial autoconsistente, e a carga dielétrica é modelada assumindo uma distribuição fixa estática, "Leburton acrescenta." As variações de potencial induzidas nas bordas GNR e nanopore são obtidas de forma autoconsistente, resolvendo a equação de Poisson, e alimentado no código NEGF para calcular a variação de condutância resultante no GNR. "

Outra consequência do sistema ser multifásico (líquido-sólido), com o alvo de DNA na fase líquida, e o detector está em fase sólida, estava detectando a conformação rotacional e posicional de uma fita de DNA dentro do nanoporo. "Do ponto de vista computacional, Leburton observa, "a interface entre as duas fases é extremamente desafiadora, porque por um lado, o software é específico para qualquer uma dessas fases importantes, enquanto por outro lado, no caso de sistemas bifásicos, eles são, como mencionado, restrito a um número muito pequeno - algumas centenas - de átomos. "

Ao mostrar que uma membrana de grafeno com geometria de contato de ponto quântico exibe maior sensibilidade elétrica do que uma geometria de poltrona uniforme, Leburton diz que o principal desafio reside na capacidade de simular formas GNR arbitrárias em resolução atômica, o que - novamente devido aos métodos tradicionais da teoria do funcional da densidade serem limitados a apenas algumas centenas de átomos - leva à incapacidade de avaliar os efeitos de longo alcance induzidos pela geometria GNR.

Resumindo, a equipe abordou todos esses desafios computacionais usando:

• uma abordagem de ligação forte que pode lidar com um grande número de átomos, que é necessário para avaliar as mudanças de condutância em GNRs de forma não uniforme induzidas por cargas externas
• uma abordagem em várias escalas para lidar com o sistema bifásico híbrido, onde o GNR e o DNA são modelados por software atomístico, enquanto o eletrólito e os materiais circundantes são tratados com equações de dispositivos semicondutores autoconsistentes dentro do formalismo de Boltzmann-Poisson (uma equação diferencial que descreve as interações eletrostáticas entre moléculas em soluções iônicas)

Leburton expande o projeto de membrana proposto pelo artigo contendo uma porta elétrica em uma configuração semelhante a um transistor de efeito de campo para um dispositivo de detecção de DNA baseado em grafeno. "A presença de um portão sobre ou embaixo da membrana permitirá o ajuste da condutância GNR no regime de sensibilidade elétrica ideal, que de outra forma será inteiramente determinado por dois fatores:as bordas irregulares GNR introduzindo condições de contorno mecânicas quânticas incontroláveis ​​nas funções de onda transversal dos portadores de carga que produzem espalhamento indesejável que afeta a condutância; e o doping do tipo p inerente e incontrolável da GNR resultante da exposição à água, e a carga parasita negativa no dielétrico que suporta ou isola o GNR. "

Seguindo em frente, Leburton diz que para controlar a paisagem eletrostática dentro do nanopore, a membrana pode incorporar camadas adicionais de grafeno, ou outros materiais bidimensionais, conectado a fontes de tensão. Esses eletrodos adicionais terão o duplo propósito de controlar o movimento lateral e vertical da molécula de DNA durante sua translocação através do nanopore. Ao fazê-lo, os cientistas esperam reduzir o jitter e o uso do fio dental devido ao movimento térmico das moléculas de água e íons na solução, e, assim, melhorar a identificação de cada nucleotídeo quando ele passa na frente da camada de detecção de grafeno.

"Uma das principais características do nosso modelo foi assumir que o DNA passa pelo nanoporo de forma rígida, "Leburton continua." Além de melhorar nossa abordagem em várias escalas, os próximos passos em nossa pesquisa consistirão em implementar nosso modelo computacional incluindo o movimento térmico do DNA por meio de simulação dinâmica molecular; os efeitos de proximidade de dielétricos ensanduichando a camada de grafeno de detecção; o efeito do portão na condutância GNR para desempenho de detecção aprimorado; os efeitos eletrostáticos de eletrodos de controle adicionais na dinâmica molecular do DNA; e determinar o projeto de membrana ideal para alto desempenho de sequenciamento. "

Em relação a outras áreas além da genômica que podem se beneficiar de seu estudo, Leburton diz, sua pesquisa também contribuirá para o desenvolvimento de novos dispositivos bioeletrônicos miniaturizados com ampla gama de aplicações em medicina pessoal. "De fato, "ele ilustra, "se as membranas de estado sólido podem ser energizadas eletronicamente, pode-se imaginá-los desempenhando funções semelhantes às biocélulas, mas com estimulação elétrica, controle e detecção. Isso abriria a porta para novas práticas em portáteis no local bioanálise sem a necessidade de análises de laboratório caras e demoradas. Em um contexto mais geral, "ele conclui, “a interação da biologia e da nanoeletrônica em nível molecular - com a possibilidade de manipulação da informação biológica por dispositivos eletrônicos em nanoescala - abre novos horizontes na tecnologia de processamento da informação, aproveitando a capacidade biológica de armazenar grande quantidade de informação, por um lado, e a capacidade da tecnologia de semicondutores de processá-lo rapidamente, confiável e com baixo custo, no outro."

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