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  • El agua se comprime bajo un campo eléctrico de alto gradiente.

    Representación de un nanoporo en una membrana de grafeno de un átomo de espesor que enfoca el campo eléctrico y comprime el agua dentro del poro. Las simulaciones por computadora revelaron que el agua comprimida bloquea el paso de biomoléculas a través del poro, sin la presencia de puertas físicas. Crédito:A Aksimentiev y J. Wilson, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign

    La civilización moderna se basa en la incompresibilidad del agua, es algo que damos por sentado. Los sistemas hidráulicos aprovechan la virtual incompresibilidad de fluidos como el agua o el aceite para multiplicar la fuerza mecánica. Excavadoras, grúas y otra maquinaria pesada explotan la física de la hidráulica, al igual que los frenos de los automóviles, sistemas de rociadores contra incendios, y sistemas municipales de agua y residuos. Se necesita una presión extraordinaria para comprimir el agua. Incluso en el fondo de los océanos más profundos, dos millas y media bajo la superficie, donde la presión es igual a aproximadamente 1000 atmósferas, el agua se comprime solo en un 5 por ciento.

    Pero ahora los científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han predicho una nueva física que gobierna la compresión del agua bajo un campo eléctrico de alto gradiente.

    El profesor de física Aleksei Aksimentiev y su investigador postdoctoral James Wilson descubrieron que un campo eléctrico elevado aplicado a un pequeño orificio en una membrana de grafeno comprimiría las moléculas de agua que viajan a través del poro en un 3 por ciento. La compresión de agua predicha puede eventualmente resultar útil en el filtrado de biomoléculas de alta precisión para la investigación biomédica.

    Estos hallazgos fueron publicados el 26 de junio de 2018, en Cartas de revisión física (120, 268101) como sugerencia del editor. "Este es un fenómeno inesperado, al contrario de lo que creíamos saber sobre el transporte de nanoporos. Tomó tres años averiguar qué era lo que nos mostraban las simulaciones. Después de explorar muchas soluciones potenciales, el gran avance se produjo cuando nos dimos cuenta de que no deberíamos asumir que el agua es incompresible. Ahora que entendemos lo que está sucediendo en las simulaciones por computadora, somos capaces de reproducir este fenómeno en cálculos teóricos ".

    Bajo campo eléctrico bajo, El ADN se extrae a través del poro. Crédito:A Aksimentiev y J. Wilson, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

    Los científicos llevaron a cabo este estudio para probar nuevos métodos en la secuenciación de ADN de nanoporos de grafeno. Durante los últimos años, Los nanoporos de grafeno han demostrado ser tremendamente prometedores para la secuenciación de ADN de bajo costo. La forma en que funciona El ADN se suspende en agua y luego el ADN, el agua y los iones son arrastrados por un campo eléctrico a través de un pequeño orificio en una membrana de grafeno. El campo eléctrico aplicado a través de la hoja de grafeno atrae los iones disueltos y cualquier partícula cargada; el ADN es una partícula cargada negativamente. Las cuatro nucleobases del ADN se leen como las diferencias en el flujo de iones que produce cada nucleobase de forma distintiva.

    El tamaño del orificio y la delgadez de la hoja son fundamentales para este método. La hoja de grafeno tiene solo un átomo de espesor, el diámetro del nanoporo mide solo alrededor de 3 nanómetros o el ancho de 10 átomos, y las moléculas de ADN miden alrededor de 2 nanómetros de ancho.

    En este estudio, Aksimentiev y Wilson se propusieron desarrollar un modelo computacional que les permitiera controlar la velocidad de transporte del ADN a través de un nanoporo de grafeno. Sabían que aumentar el campo eléctrico aplicado debería incrementar la velocidad de transporte en el mismo múltiplo, pero cuando multiplicaron por diez el campo, el ADN estaba completamente bloqueado para que no pasara por el orificio.

    Wilson describe lo que vio en la simulación:"Estábamos intentando ver si cambiamos la carga en la hoja de grafeno, si eso cambiaría la tasa de captura del ADN como se predijo. Nuestras simulaciones mostraron que el ADN atraviesa el nanoporo como se esperaba en campos eléctricos más bajos, pero cuando aplica 1 voltio, el ADN parece estar bailando sobre el nanoporo, como si quisiera atravesarlo, pero por alguna razón no puede.

    El ADN es repelido del poro en un campo eléctrico alto. Crédito:A Aksimentiev y J. Wilson, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign

    "Resulta que el gradiente del campo eléctrico es lo que comprime el agua, porque el agua es un dieléctrico. Un campo eléctrico muy alto no hará esto, solo un campo que cambia con el espacio. Las cargas de la molécula de agua se alinean con el campo eléctrico, y las cargas que están más cerca de donde el campo eléctrico es más alto son atraídas con más fuerza que las cargas más cercanas donde el campo eléctrico es más débil ".

    Aksimentiev agrega:"Todo esto solo funciona porque la membrana es muy delgada, y el campo eléctrico se enfoca donde está la membrana, comprimiendo la molécula de agua de ambos lados. La compresión es solo del 3 por ciento, but that pressurizes the water—it's equivalent to 100 atmospheres—and the pressure basically pushes the DNA back so that it cannot travel through the nanopore."Wilson continues, "Once we worked out what was actually happening is compression of the water, we spoke with experimentalists working with graphene nanopores. We've learned that this phenomenon may already have been observed in the laboratory. Apparently people have seen it, but they couldn't explain it. The experiments will need to be repeated to validate our theory."

    Aksimentiev concludes, "We had originally set out to use this work for DNA sequencing. But now we think we can use it for identifying and separating biomolecules that are very similar but have some small difference. For example, you could have many of the same protein, but some might carry one very small mark—one posttranslational modification—that alters its charge. That difference of just one electron would determine whether the molecule passes through the nanopore or not, because that's a function of charge. So we could potentially use this new phenomenon of water compression to very precisely filter biomolecules."


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