(Hovedbillede) Molekylær dynamik simulering af DNA-indfangning og translokation gennem en grafen nanopore. Supercomputersimuleringer hjalp med at afsløre et nyt fænomen med vandkomprimering på nanoskala. Kredit:Aleksei Aksimentiev
Enhver lastbilchauffør ved, at hydraulik gør de tunge løft. Vand gør arbejdet, fordi det er næsten ukomprimerbart i normale skalaer. Men ting opfører sig mærkeligt i nanoteknologi, kontrollen af materialer på skalaen af atomer og molekyler. Ved hjælp af supercomputere, forskere fandt en overraskende mængde vandkompression på nanoskala. Disse resultater kan hjælpe med at fremme medicinsk diagnostik gennem oprettelse af nanoskalasystemer, der detekterer, identificere, og sortere biomolekyler.
Den uventede effekt kommer fra virkningen af et elektrisk felt på vand i meget smalle porer og i meget tynde materialer. Det viser forskning udført af Aleksei Aksimentiev og James Wilson fra Institut for Fysik ved University of Illinois i Urbana-Champaign. De offentliggjorde deres resultater i Fysiske anmeldelsesbreve , juni 2018.
"Vi fandt ud af, at et elektrisk felt kan komprimere vand lokalt, og at vandkomprimering ville forhindre molekyler i at blive transporteret gennem små porer, " sagde Aksimentiev. "Dette er en meget kontraintuitiv effekt, fordi det normalt antages, at et højere elektrisk felt ville drive molekyler hurtigere gennem poren. Men fordi det elektriske felt også komprimerer vand, resultatet ville være det modsatte. Det er, det højere elektriske felt ville ikke tillade molekyler at passere igennem." Faktisk, vandkompressionen genereret af det højere elektriske felt skubbede DNA-molekyler væk fra nanopore-kanalerne.
Aksimentiev og Wilson arbejdede med en et-atom-tyk grafenmembran. De prikkede et hul i det 3,5 nanometer bredt, lige bred nok til at slippe en DNA-streng igennem. Et eksternt elektrisk felt trak DNA'et gennem hullet, som at tråde en nål. Nukleotidbogstaverne A-C-T-G, der får trinene i det dobbeltstrengede DNA til at producere signaler, når de går gennem poren, analogt med at afspille et bånd i en båndoptager. Denne metode er under udvikling, kaldet nanopore-sekventering, er et alternativ til konventionel sekventering. Det afhænger ikke af polymerasekædereaktionsenzymer til at amplificere DNA og giver i teorien mulighed for meget længere læsninger.
"Vi har arbejdet i studiet af nanopore-sekventering i nogen tid allerede, og målet med feltet er at bruge nanoteknologi til at aflæse DNA-sekvensen, RNA, og proteiner direkte, uden at bruge nogen form for enzymer."
Aksimentiev og Wilson forsøgte i første omgang i undersøgelsen at kvantificere, hvor ofte DNA bliver fanget af grafenporer. Deres mål er at øge indfangningen og til gengæld udbyttet af DNA sekventeret gennem nanoporen.
"Overraskende nok, vi fandt ud af, at da vi øgede dette felt for at øge hastigheden af DNA-indfangning, vi fandt ud af, at det faktisk ikke går igennem efter en vis tærskelspænding, hvilket var lidt chokerende, " sagde Aksimentiev.
"Vi begyndte at lede efter alle mulige ting, der kunne gå galt med vores simuleringer, " forklarede Aksimentiev. "Vi tjekkede alt, og vi overbeviste os selv om, at dette virkelig var en rigtig ting. Det er fysik, der taler til os gennem all-atom-simuleringer. "
De målte kraften fra det elektriske felt på DNA-molekylerne, ved at bruge forskellige DNA-konstruktioner og variere koncentrationen af elektrolytopløsning og størrelsen af porerne og af membranen. "Fra disse målinger, vi kom op med denne idé, at det er vandkompression, der forhindrer DNA i at gå igennem, " sagde Aksimentiev.
Størrelse er alt, når det kom til de beregningsmæssige udfordringer ved at simulere nanoporerne. "Problemet er, at vi skal tage hensyn til bevægelsen af hvert atom i vores system, "Sagde Aksimentiev." Systemerne består typisk af 100, 000 atomer. Det var kritisk vigtigt for opdagelsen af det fænomen, vi har gjort. "
Supercomputer tid blev tildelt gennem XSEDE, Extreme Science and Engineering Discover Environment, finansieret af National Science. Fundament. XSEDE-tildelinger gjorde det muligt for forskerne at bruge Stampede1- og Stampede2-systemerne ved Texas Advanced Computing Center; og Blue Waters på National Center for Supercomputing Applications.
Aksimentiev krediterede XSEDE med en brøkdel af nanoskalaundersøgelsen. "Jeg vil sige, at uden XSEDE ville vi ikke være, hvor vi er i vores projekt. Uden XSEDE, Jeg kan ikke se, hvordan vi skal kunne udføre det arbejde, vi gør. Det er ikke kun dette projekt. Det er ikke kun dette system, men der er så mange forskellige systemer, som vores gruppe og andre grupper undersøger. Det, jeg godt kan lide ved XSEDE, er, at det giver adgang til forskellige systemer. Selve XSEDE-portalen er en anden fordel, fordi jeg i én portal kan se alt, hvad der sker på alle maskinerne. Det gør det meget nemt at administrere tildelinger og job, " sagde Aksimentiev.
"Specielt til Stampede2, " Aksimentiev fortsatte, "vi var i stand til at køre mange simuleringer parallelt. Det er ikke kun, at vores individuelle simulering bruger mange kerner af Stampede2. Samtidig, vi skulle også køre simuleringer med flere kopier, hvor mange simuleringer kører på samme tid. Det gjorde det muligt for os at måle kræfterne med den præcision, der tillod os at konkludere om det fysiske fænomens natur. Det har været forbløffende, hvor hurtigt og præcist Stampede2 -maskinen fungerer. "
James Wilson, en postdoktor, der arbejder med Aksimentiev, tilføjede, at "ved at køre simuleringerne på Stampede2, Jeg var i stand til at afslutte tyve simuleringer på et par dage, skærer min tid til løsning enormt ned." Han forklarede, at kun en NAMD molekylær dynamiksimulering ville tage omkring to uger på lokale arbejdsstationer.
"Den vigtigste ting, "Sagde Aksimentiev, "er det meget præcist, præcise simuleringer på store computere er et opdagelsesværktøj. Dette arbejde tilskriver det virkelig, fordi vi satte os for at gøre noget andet. Vi opdagede et nyt fænomen i nanoporer. Og vi forklarer det gennem simuleringer. Der er så mange opdagelser at gøre med computere. Derfor er supercomputerforskning værd at finansiere."
Det næste skridt i dette arbejde, fremmede Aksimentiev, er at se, om effekten også opstår i biologiske kanaler og ikke kun med grafenmembranen. De undersøger også graden af sortering og separation, der er mulig for proteiner, livets cellulære maskineri. "Allerede i dette papir viser vi, at for ét protein, vi var i stand til at differentiere varianter. Vi vil gerne anvende det på mere komplekse systemer og også finde betingelser, hvor effekten manifesterer sig ved lavere felter, som ville udvide sin anvendelse til påvisning af biomarkører, " sagde Aksimentiev.
Studiet, "Vandkompressionsport af Nanopore Transport, " blev offentliggjort juni 2018 i Fysiske anmeldelsesbreve .