Cualquier operador de camión sabe que el sistema hidráulico hace el trabajo pesado. El agua hace el trabajo porque es casi incompresible a escalas normales. Pero las cosas se comportan de forma extraña en nanotecnología, el control de materiales a escala de átomos y moléculas. Usando supercomputadoras, Los científicos encontraron una cantidad sorprendente de compresión de agua a nanoescala. Estos hallazgos podrían ayudar a avanzar en el diagnóstico médico mediante la creación de sistemas a nanoescala que detectan, identificar, y clasificar biomoléculas.

El efecto inesperado proviene de la acción de un campo eléctrico sobre el agua en poros muy estrechos y en materiales muy delgados. Eso es según la investigación de Aleksei Aksimentiev y James Wilson del Departamento de Física de la Universidad de Illinois en Urbana – Champaign. Publicaron sus hallazgos en Cartas de revisión física , Junio ​​de 2018.

"Descubrimos que un campo eléctrico puede comprimir el agua localmente, y que la compresión del agua evitaría que las moléculas se transporten a través de poros pequeños, ", Dijo Aksimentiev." Este es un efecto muy contradictorio, porque generalmente se supone que un campo eléctrico más alto impulsaría las moléculas más rápido a través del poro. Pero debido a que el campo eléctrico también comprime el agua, el resultado sería el contrario. Es decir, el campo eléctrico superior no permitiría el paso de las moléculas ". la compresión del agua generada por el campo eléctrico superior empujó las moléculas de ADN lejos de los canales de nanoporos.

Aksimentiev y Wilson trabajaron con una membrana de grafeno de un átomo de espesor. Le hicieron un agujero de 3,5 nanómetros de ancho, lo suficientemente ancho para dejar pasar una hebra de ADN. Un campo eléctrico externo sacó el ADN a través del agujero, como enhebrar una aguja. Las letras de nucleótidos A-C-T-G que hacen que los peldaños del ADN bicatenario produzcan señales a medida que atraviesan el poro, análogo a reproducir una cinta en una grabadora. Este método se está desarrollando, llamada secuenciación de nanoporos, es una alternativa a la secuenciación convencional. No depende de las enzimas de la reacción en cadena de la polimerasa para amplificar el ADN y, en teoría, permite lecturas mucho más largas.

"Hemos estado trabajando en el estudio de la secuenciación de nanoporos desde hace algún tiempo, y el objetivo del campo es utilizar la nanotecnología para leer la secuencia de ADN, ARN, y proteínas directamente, sin utilizar ningún tipo de enzimas ".

Aksimentiev y Wilson intentaron inicialmente en el estudio cuantificar la frecuencia con la que los poros de grafeno capturan el ADN. Su objetivo es aumentar la captura y, a su vez, el rendimiento del ADN secuenciado a través del nanoporo.

"Asombrosamente, Descubrimos que a medida que estábamos aumentando este campo para aumentar la tasa de captura de ADN, descubrimos que en realidad no pasa después de un cierto umbral de voltaje, lo cual fue un poco impactante, ", Dijo Aksimentiev.

"Empezamos a buscar todas las cosas posibles que pudieran salir mal con nuestras simulaciones, "Aksimentiev explicó." Comprobamos todo, y nos convencimos de que se trataba de algo real. Es la física que nos habla a través de simulaciones de todos los átomos ".

Midieron la fuerza del campo eléctrico en las moléculas de ADN, utilizando diferentes construcciones de ADN y variando la concentración de solución de electrolito y el tamaño de los poros y de la membrana. "A partir de estas medidas, se nos ocurrió la idea de que es la compresión del agua lo que evita que el ADN pase, ", Dijo Aksimentiev.

El tamaño lo es todo cuando se trata de los desafíos computacionales de simular los nanoporos. "El problema es que tenemos que tener en cuenta el movimiento de cada átomo de nuestro sistema, ", Dijo Aksimentiev." Los sistemas típicamente se componen de 100, 000 átomos. Eso fue de vital importancia para el descubrimiento del fenómeno que hemos hecho ".

El tiempo de supercomputadora se otorgó a través de XSEDE, el entorno de descubrimiento de ciencias e ingeniería extremas, financiado por National Science. Fundación. Las asignaciones de XSEDE permitieron a los investigadores utilizar los sistemas Stampede1 y Stampede2 en el Centro de Computación Avanzada de Texas; y Blue Waters en el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación.

Aksimentiev atribuyó a XSEDE la mayor parte del estudio a nanoescala. "Yo diría que sin XSEDE no estaríamos donde estamos en nuestro proyecto. Sin XSEDE, No veo cómo podríamos realizar el trabajo que hacemos. No es solo este proyecto. No es solo este sistema, pero hay tantos sistemas diferentes que nuestro grupo y otros grupos están investigando. Lo que me gusta de XSEDE es que da acceso a diversos sistemas. El portal XSEDE en sí es otro beneficio, porque en un portal puedo ver todo lo que pasa en todas las máquinas. Eso hace que sea muy fácil administrar asignaciones y trabajos, ", Dijo Aksimentiev.

"Específicamente para Stampede2, "Aksimentiev continuó, "pudimos ejecutar muchas simulaciones en paralelo. No es solo que nuestra simulación individual use muchos núcleos de Stampede2. Al mismo tiempo, también tuvimos que ejecutar simulaciones de copias múltiples, donde se ejecutan muchas simulaciones al mismo tiempo. Eso nos permitió medir las fuerzas con la precisión que nos permitió concluir sobre la naturaleza del fenómeno físico. Ha sido sorprendente lo rápido y lo preciso que funciona la máquina Stampede2 ".

James Wilson, un investigador postdoctoral que trabaja con Aksimentiev, agregó que "al ejecutar las simulaciones en Stampede2, Pude terminar veinte simulaciones en un par de días, reduciendo enormemente mi tiempo de solución ". Explicó que solo una simulación de dinámica molecular NAMD tomaría aproximadamente dos semanas en estaciones de trabajo locales.

"La cosa más importante, "Aksimentiev dijo:"¿es tan precisa? simulaciones precisas en grandes computadoras es una herramienta de descubrimiento. Este trabajo realmente le atribuye, porque nos propusimos hacer otra cosa. Descubrimos un nuevo fenómeno en los nanoporos. Y lo explicamos a través de simulaciones. Hay tantos descubrimientos por hacer con las computadoras. Es por eso que vale la pena financiar la investigación de supercomputadoras ".

El siguiente paso en este trabajo, avanzó Aksimentiev, es ver si el efecto también ocurre en canales biológicos y no solo con la membrana de grafeno. También están explorando el grado de clasificación y separación posible para las proteínas, la maquinaria celular de la vida. "Ya en este artículo mostramos que para una proteína, pudimos diferenciar variantes. Nos gustaría aplicarlo a sistemas más complejos y también encontrar condiciones donde el efecto se manifiesta en campos más bajos, que ampliaría su aplicación a la detección de biomarcadores, ", Dijo Aksimentiev.

El estudio, "Compresión de agua del transporte de nanoporos, "se publicó en junio de 2018 en Cartas de revisión física .