(Phys.org):en la búsqueda en curso para diseñar más rápido, métodos de menor costo para secuenciar el genoma humano, Los científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han desarrollado un enfoque novedoso:las moléculas de ADN se detectan al pasarlas a través de una capa de grafeno constreñido incrustado en una membrana de estado sólido que contiene un nanoporo (un pequeño orificio con un diámetro interno de aproximadamente 1 nm) , ubicado en una nanocinta de grafeno (GNR). Una característica crítica del nuevo paradigma es que las propiedades eléctricas del grafeno permiten que la capa se sintonice de varias formas distintas, a saber, alterando la forma de su borde, concentración de portadores y ubicación de nanoporos, modulando así tanto la conductancia eléctrica como la sensibilidad a la carga externa. Los investigadores descubrieron que su nueva técnica puede detectar la conformación rotacional y posicional de la hebra de ADN, y demostró que una membrana de grafeno con geometría de contacto de punto cuántico exhibe una mayor sensibilidad eléctrica que con los llamados geometría uniforme del sillón . El equipo ha propuesto un dispositivo similar a un transistor de efecto de campo basado en grafeno para la detección de ADN.

Prof. Jean-Pierre Leburton informado Phys.org sobre la investigación que él y sus colegas, Anuj Girdhar, Chaitanya Sathe y Klaus Schulten - dirigidos. "Las simulaciones están liderando actualmente los esfuerzos experimentales sobre este tema específico, pero los modelos de transporte basados ​​en teoría funcional de la densidad no puede manejar una gran cantidad de átomos debido a los recursos computacionales limitados, "Leburton dice Phys.org , relatando algunos de los desafíos que enfrentaron los científicos. (Teoría funcional de la densidad, o DFT, es un método de modelado mecánico cuántico utilizado en física y química para investigar la estructura electrónica de sistemas de muchos cuerpos).

"Además, "Leburton continúa, "estos modelos están restringidos a sistemas de estado sólido, mientras se trata de un sistema híbrido sólido-líquido. Por esta razón, Se asumen condiciones físicas muy simplistas e idealistas en las nanocintas de grafeno ". Tales suposiciones incluyen anchos GNR uniformes con bordes perfectos en zigzag o sillón, el nanoporo se coloca en el centro de la nanocinta de grafeno, y una ausencia de perturbaciones electrostáticas de la solución electrolítica o del dieléctrico que soporta la nanocinta de grafeno ". En nuestro enfoque, utilizamos una técnica multiorbital de unión estrecha (TB) que puede manejar un número mucho mayor de átomos que DFT para tener en cuenta el ancho de GNR no uniforme, sus bordes irregulares, y varios tamaños y posiciones del nanoporo, "Leburton explica. (La técnica TB utiliza una superposición de funciones de onda de átomos aislados ubicados en cada sitio atómico para calcular la estructura de banda electrónica de los sólidos).

"El espectro electrónico obtenido del modelo de unión estrecha se alimenta luego a un modelo de transporte basado en una técnica de función de Green de no equilibrio para calcular la conductancia eléctrica en configuraciones generales de GNR". Una función de Green sin equilibrio (también conocida como Green), o NEGF, se puede usar para resolver una ecuación diferencial no homogénea con condiciones de contorno de una manera que es aproximadamente análoga al uso de la serie de Fourier en la solución de ecuaciones diferenciales ordinarias. Durante la ultima decada, Las técnicas NEGF se han vuelto ampliamente utilizadas en empresas, Ingenieria, Gobierno, y laboratorios académicos para el modelado de alto sesgo, transporte cuántico de electrones y huecos en una amplia variedad de materiales y dispositivos.

"Uno de los principales desafíos en el cálculo de la sensibilidad de GNR a las cargas externas surge de las diferentes naturalezas y orígenes de estas últimas, ", Señala Leburton". Específicamente, estos son la carga estática en los materiales dieléctricos que soportan, o emparedado, el GNR, y, lo que es más importante, la carga iónica dinámica en el electrolito que contiene el ADN, que está en fase líquida ". Para abordar esto, los investigadores utilizaron una técnica de múltiples escalas, donde el GNR y el ADN se simulan atomísticamente (con una técnica de unión estrecha y dinámica molecular, respectivamente) mientras que el electrolito y el dieléctrico se tratan como medios continuos. "El primero se simula como un semiconductor intrínseco con una constante dieléctrica grande y una brecha de pseudobanda en presencia de un potencial autoconsistente, y la carga dieléctrica se modela asumiendo una distribución fija estática, "Leburton agrega." Las variaciones de potencial inducidas en los bordes de GNR y nanoporo se obtienen de manera autoconsistente al resolver la ecuación de Poisson, y se introdujo en el código NEGF para calcular la variación de conductancia resultante en el GNR ".

Otra consecuencia de que el sistema sea multifásico (líquido-sólido), con el ADN diana en fase líquida, y el detector está en fase sólida, estaba detectando la conformación rotacional y posicional de una hebra de ADN dentro del nanoporo. "Desde un punto de vista computacional, Leburton señala, "la interfaz entre las dos fases es extremadamente desafiante, porque por un lado, el software es específico para cualquiera de estas fases de la materia, mientras que por otro lado, en el caso de sistemas bifásicos, son, como se mencionó, restringido a un número muy pequeño, unos pocos cientos, de átomos ".

Al mostrar que una membrana de grafeno con geometría de contacto de punto cuántico exhibe una mayor sensibilidad eléctrica que una geometría de sillón uniforme, Leburton dice que el principal desafío reside en la capacidad de simular formas GNR arbitrarias a resolución atómica, lo cual, nuevamente debido a que los métodos tradicionales de la teoría funcional de la densidad se limitan a solo unos pocos cientos de átomos, conduce a la incapacidad de evaluar los efectos de largo alcance inducidos por la geometría GNR.

En resumen, el equipo abordó todos estos desafíos computacionales mediante el uso de:

• un enfoque de unión estrecha que puede manejar una mayor cantidad de átomos, que es necesario para evaluar los cambios de conductancia en GNR de forma no uniforme inducidos por cargas externas
• un enfoque de múltiples escalas para manejar el sistema híbrido bifásico, donde el GNR y el ADN son modelados por software atomístico, mientras que el electrolito y los materiales circundantes se tratan con ecuaciones de dispositivos semiconductores autoconsistentes dentro del formalismo de Boltzmann-Poisson (una ecuación diferencial que describe las interacciones electrostáticas entre moléculas en soluciones iónicas)

Leburton amplía el diseño de membrana propuesto en el documento que contiene una puerta eléctrica en una configuración similar a un transistor de efecto de campo para un dispositivo de detección de ADN basado en grafeno. "La presencia de una puerta en o debajo de la membrana permitirá la sintonización de la conductancia GNR en el régimen de sensibilidad eléctrica óptimo, que de otro modo estará completamente determinado por dos factores:los bordes irregulares de GNR introducen condiciones de frontera mecánicas cuánticas incontrolables en las funciones de onda transversales de los portadores de carga que producen una dispersión indeseable que afecta la conductancia; y el dopaje de tipo p inherente e incontrolable de la GNR resultante de la exposición al agua, y la carga negativa parásita en el dieléctrico que soporta o aísla el GNR ".

Avanzando Leburton dice que para controlar el paisaje electrostático dentro del nanoporo, la membrana podría incorporar capas de grafeno adicionales, u otros materiales bidimensionales, conectado a fuentes de voltaje. Estos electrodos adicionales tendrán el doble propósito de controlar el movimiento lateral y vertical de la molécula de ADN durante su translocación a través del nanoporo. Al hacerlo, los científicos esperan reducir la fluctuación y el uso del hilo dental debido al movimiento térmico de las moléculas de agua y los iones en la solución, y así mejorar la identificación de cada nucleótido cuando pasa por delante de la capa de grafeno de detección.

"Una de las principales características de nuestro modelo fue asumir que el ADN pasa a través del nanoporo de forma rígida, "Leburton continúa". Además de mejorar nuestro enfoque de múltiples escalas, los próximos pasos en nuestra investigación consistirán en implementar nuestro modelo computacional incluyendo el movimiento térmico del ADN a través de la simulación dinámica molecular; los efectos de proximidad de los dieléctricos intercalando la capa de grafeno de detección; el efecto de la puerta en la conductancia GNR para mejorar el rendimiento de detección; los efectos electrostáticos de electrodos de control adicionales sobre la dinámica molecular del ADN; y determinar el diseño de membrana óptimo para un alto rendimiento de secuenciación ".

Con respecto a otras áreas más allá de la genómica que podrían beneficiarse de su estudio, Leburton dice:su investigación también contribuirá al desarrollo de nuevos dispositivos bioelectrónicos miniaturizados con una amplia gama de aplicaciones en la medicina personal. "En efecto, "ilustra, "si las membranas de estado sólido se pueden energizar electrónicamente, uno puede imaginarlos realizando funciones similares a las biocélulas, pero con estimulación eléctrica, control y detección. Esto abriría la puerta a nuevas prácticas en portátiles en el lugar bioanálisis sin la necesidad de análisis de laboratorio costosos y que requieren mucho tiempo. En un contexto más general, "concluye, "la interacción de la biología y la nanoelectrónica a nivel molecular - con la posibilidad de manipular la información biológica mediante dispositivos electrónicos a nanoescala - abre nuevos horizontes en la tecnología de procesamiento de la información al aprovechar la capacidad biológica de almacenar una gran cantidad de información, Por un lado, y la capacidad de la tecnología de semiconductores para procesarlo rápidamente, de forma fiable y económica, en el otro."

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