p Qualquer operador de caminhão sabe que o sistema hidráulico faz o trabalho pesado. A água faz o trabalho porque é quase incompressível em escalas normais. Mas as coisas se comportam de maneira estranha na nanotecnologia, o controle de materiais na escala de átomos e moléculas. Usando supercomputadores, os cientistas descobriram uma quantidade surpreendente de compressão de água em nanoescala. Essas descobertas podem ajudar no diagnóstico médico avançado por meio da criação de sistemas em nanoescala que detectam, identificar, e classificar biomoléculas. p O efeito inesperado vem da ação de um campo elétrico na água em poros muito estreitos e em materiais muito finos. Isso está de acordo com a pesquisa de Aleksei Aksimentiev e James Wilson, do Departamento de Física da Universidade de Illinois em Urbana – Champaign. Eles publicaram suas descobertas em Cartas de revisão física , Junho de 2018.

p "Descobrimos que um campo elétrico pode comprimir água localmente, e que a compressão da água impediria que as moléculas fossem transportadas através de pequenos poros, "Aksimentiev disse." Este é um efeito muito contra-intuitivo, porque geralmente é assumido que um campo elétrico mais alto impulsionaria as moléculas mais rapidamente através do poro. Mas porque o campo elétrico também comprime a água, o resultado seria o oposto. Isso é, o campo elétrico superior não permitiria a passagem das moléculas. "Com efeito, a compressão da água gerada pelo campo elétrico superior empurrou as moléculas de DNA para longe dos canais nanopore.

p Aksimentiev e Wilson trabalharam com uma membrana de grafeno de um átomo de espessura. Eles fizeram um buraco nele de 3,5 nanômetros de largura, apenas larga o suficiente para permitir a passagem de um filamento de DNA. Um campo elétrico externo puxou o DNA através do buraco, como enfiar linha na agulha. As letras de nucleotídeos A-C-T-G que fazem os degraus do DNA de fita dupla produzem sinais à medida que passam pelo poro, análogo a tocar uma fita em um gravador. Este método sendo desenvolvido, chamado sequenciamento de nanopore, é uma alternativa ao sequenciamento convencional. Não depende das enzimas da reação em cadeia da polimerase para amplificar o DNA e, em teoria, permite leituras muito mais longas.

p “Já faz algum tempo que trabalhamos no estudo do sequenciamento de nanoporos, e o objetivo da área é usar a nanotecnologia para ler a sequência de DNA, RNA, e proteínas diretamente, sem usar qualquer tipo de enzima. "

p Aksimentiev e Wilson estavam tentando inicialmente no estudo quantificar a frequência com que o DNA é capturado pelos poros de grafeno. O objetivo é aumentar a captura e, por sua vez, o rendimento do DNA sequenciado através do nanoporo.

p "Surpreendentemente, descobrimos que, à medida que aumentávamos este campo para aumentar a taxa de captura de DNA, descobrimos que ele realmente não passa após uma certa tensão limite, o que foi um pouco chocante, "Disse Aksimentiev.

p "Começamos a procurar todas as coisas possíveis que poderiam dar errado com nossas simulações, "Aksimentiev explicou." Nós verificamos tudo, e nos convencemos de que isso era realmente uma coisa real. É a física falando conosco por meio de simulações de todos os átomos. "

p Eles mediram a força do campo elétrico nas moléculas de DNA, usando diferentes construções de DNA e variando a concentração da solução de eletrólise e o tamanho dos poros e da membrana. "A partir dessas medições, tivemos a ideia de que é a compressão da água que impede o DNA de passar, "Disse Aksimentiev.

p O tamanho é tudo quando se trata dos desafios computacionais de simulação de nanoporos. "O problema é que temos que levar em consideração o movimento de cada átomo em nosso sistema, "Aksimentiev disse." Os sistemas normalmente são compostos por 100, 000 átomos. Isso foi extremamente importante para a descoberta do fenômeno que fizemos. "

p O tempo do supercomputador foi concedido através do XSEDE, o Extreme Science and Engineering Discover Environment, financiado pela National Science. Fundação. As alocações de XSEDE permitiram que os pesquisadores usassem os sistemas Stampede1 e Stampede2 no Texas Advanced Computing Center; e Blue Waters no National Center for Supercomputing Applications.

p Aksimentiev creditou ao XSEDE a maior parte do estudo em nanoescala. “Eu diria que sem o XSEDE não estaríamos onde estamos em nosso projeto. Sem o XSEDE, Não vejo como seríamos capazes de realizar o trabalho que fazemos. Não é apenas este projeto. Não é apenas este sistema, mas existem tantos sistemas diferentes que nosso grupo e outros grupos estão investigando. O que eu gosto no XSEDE é que ele dá acesso a diversos sistemas. O portal XSEDE em si é outro benefício, porque em um portal posso ver tudo o que acontece em todas as máquinas. Isso torna muito fácil gerenciar alocações e trabalhos, "Disse Aksimentiev.

p "Especificamente para Stampede2, "Aksimentiev continuou, "pudemos executar muitas simulações em paralelo. Não é só que nossa simulação individual usa muitos núcleos de Stampede2. Ao mesmo tempo, também tivemos que executar simulações de várias cópias, onde muitas simulações são executadas ao mesmo tempo. Isso nos permitiu medir as forças com a precisão que nos permitiu concluir sobre a natureza do fenômeno físico. Tem sido incrível como a máquina Stampede2 funciona rápido e preciso. "

p James Wilson, um pesquisador de pós-doutorado que trabalha com Aksimentiev, acrescentou que "executando as simulações no Stampede2, Consegui terminar vinte simulações em alguns dias, reduzindo meu tempo para solução imensamente. "Ele explicou que apenas uma simulação de dinâmica molecular NAMD levaria cerca de duas semanas em estações de trabalho locais.

p "A coisa mais importante, "Aksimentiev disse, "é altamente preciso, simulações precisas em grandes computadores é uma ferramenta de descoberta. Este trabalho realmente atribui a ele, porque decidimos fazer outra coisa. Descobrimos um novo fenômeno em nanoporos. E nós explicamos isso por meio de simulações. Existem tantas descobertas a serem feitas com os computadores. É por isso que vale a pena financiar a pesquisa de supercomputadores. "

p A próxima etapa neste trabalho, promoveu Aksimentiev, é ver se o efeito também ocorre em canais biológicos e não apenas com a membrana de grafeno. Eles também estão explorando o grau de classificação e separação possível para proteínas, a maquinaria celular da vida. "Já neste artigo, mostramos que para uma proteína, fomos capazes de diferenciar as variantes. Gostaríamos de aplicá-lo a sistemas mais complexos e também encontrar condições onde o efeito se manifesta em campos inferiores, que expandiria sua aplicação para detecção de biomarcadores, "Disse Aksimentiev.

p O estudo, "Water-Compression Gating of Nanopore Transport, "foi publicado em junho de 2018 em Cartas de revisão física .