Varje lastbilschaufför vet att hydraulik gör tunga lyft. Vatten gör arbetet eftersom det är nästan inkomprimerbart i normal skala. Men saker beter sig konstigt inom nanoteknik, kontroll av material i skalan av atomer och molekyler. Med hjälp av superdatorer, forskare hittade en överraskande mängd vattenkomprimering på nanoskala. Dessa fynd kan hjälpa till att främja medicinsk diagnostik genom att skapa nanoskala system som upptäcker, identifiera, och sortera biomolekyler.

Den oväntade effekten kommer från verkan av ett elektriskt fält på vatten i mycket smala porer och i mycket tunna material. Det visar forskning från Aleksei Aksimentiev och James Wilson vid Institutionen för fysik vid University of Illinois i Urbana – Champaign. De publicerade sina fynd i Fysiska granskningsbrev , Juni 2018.

"Vi fann att ett elektriskt fält kan komprimera vatten lokalt, och att vattenkomprimering skulle förhindra att molekyler transporteras genom små porer, "Sa Aksimentiev." Detta är en mycket kontraintuitiv effekt, för vanligtvis antas det att ett högre elektriskt fält skulle driva molekyler snabbare genom poren. Men eftersom det elektriska fältet också komprimerar vatten, utfallet skulle bli det motsatta. Det är, det högre elektriska fältet skulle inte tillåta molekyler att passera. "I själva verket, vattenkompressionen som genereras av det högre elektriska fältet pressade bort DNA -molekyler från nanopor -kanalerna.

Aksimentiev och Wilson arbetade med ett atomtjockt grafenmembran. De petade ett hål i den 3,5 nanometer bred, precis tillräckligt bred för att släppa igenom en DNA -sträng. Ett externt elektriskt fält drog DNA genom hålet, som att trä en nål. Nukleotidbokstäverna A-C-T-G som får steget i det dubbelsträngade DNA:t att producera signaler när de går genom poren, analogt med att spela ett band i en bandspelare. Denna metod utvecklas, kallad nanoporesekvensering, är ett alternativ till konventionell sekvensering. Det beror inte på polymeraskedjereaktionsenzymer för att amplifiera DNA och möjliggör i teorin mycket längre avläsningar.

"Vi har redan arbetat med studien av nanoporesekvensering, och målet med fältet är att använda nanoteknik för att läsa sekvensen av DNA, RNA, och proteiner direkt, utan att använda någon form av enzymer. "

Aksimentiev och Wilson försökte initialt i studien att kvantifiera hur ofta DNA fångas av grafenporer. Deras mål är att öka fångsten och i sin tur utbytet av DNA som sekvenseras genom nanoporen.

"Förvånande, vi fann att när vi ökade detta fält för att öka DNA -fångsthastigheten, vi fann att det faktiskt inte går igenom efter en viss tröskelspänning, vilket var lite chockerande, "Sa Aksimentiev.

"Vi började leta efter alla möjliga saker som kan gå fel med våra simuleringar, "Aksimentiev förklarade." Vi kontrollerade allt, och vi övertygade oss själva om att detta verkligen var en verklig sak. Det är fysik som talar till oss genom all-atom-simuleringar. "

De mätte kraften från det elektriska fältet på DNA -molekylerna, med användning av olika DNA -konstruktioner och varierande koncentration av elektroljölösning och storleken på porerna och membranet. "Från dessa mätningar, vi kom på den här tanken att det är vattenkomprimering som förhindrar att DNA går igenom, "Sa Aksimentiev.

Storlek är allt när det gäller beräkningsutmaningarna att simulera nanoporerna. "Problemet är att vi måste ta hänsyn till rörelsen för varje atom i vårt system, "Sa Aksimentiev." Systemen består vanligtvis av 100, 000 atomer. Det var kritiskt viktigt för upptäckten av det fenomen som vi har gjort. "

Superdatorstid tilldelades genom XSEDE, Extreme Science and Engineering Discover Environment, finansierad av National Science. Fundament. XSEDE -tilldelningar tillät forskarna att använda Stampede1 och Stampede2 -systemen vid Texas Advanced Computing Center; och Blue Waters vid National Center for Supercomputing Applications.

Aksimentiev krediterade XSEDE en lejonandel av nanoskala -studien. "Jag skulle säga att utan XSEDE skulle vi inte vara där vi är i vårt projekt. Utan XSEDE, Jag förstår inte hur vi skulle kunna utföra det arbete vi gör. Det är inte bara det här projektet. Det är inte bara detta system, men det finns så många olika system som vår grupp och andra grupper undersöker. Det jag gillar med XSEDE är att det ger tillgång till olika system. Själva XSEDE -portalen är en annan fördel, för i en portal kan jag se allt som händer på alla maskiner. Det gör det mycket enkelt att hantera tilldelningar och jobb, "Sa Aksimentiev.

"Specifikt för Stampede2, "Aksimentiev fortsatte, "vi kunde köra många simuleringar parallellt. Det är inte bara att vår individuella simulering använder många kärnor av Stampede2. Samtidigt, vi var också tvungna att köra simuleringar med flera kopior, där många simuleringar körs samtidigt. Det gjorde att vi kunde mäta krafterna med den precision som gjorde att vi kunde dra slutsatser om det fysiska fenomenets natur. Det har varit fantastiskt hur snabbt och hur exakt Stampede2 -maskinen fungerar. "

James Wilson, en postdoktor som arbetar med Aksimentiev, tillade att "genom att köra simuleringarna på Stampede2, Jag kunde slutföra tjugo simuleringar på ett par dagar, att minska min tid till lösning oerhört. "Han förklarade att bara en NAMD -molekylär dynamiksimulering skulle ta cirka två veckor på lokala arbetsstationer.

"Det viktigaste, "Sa Aksimentiev, "är det mycket exakt, exakta simuleringar på stora datorer är ett upptäcktsverktyg. Detta arbete tillskriver det verkligen, för vi bestämde oss för att göra något annat. Vi upptäckte ett nytt fenomen i nanoporer. Och vi förklarar det genom simuleringar. Det finns så många upptäckter att göra med datorer. Det är därför superdatorforskning är värd att finansiera. "

Nästa steg i detta arbete, fortsatte Aksimentiev, är att se om effekten också sker i biologiska kanaler och inte bara med grafenmembranet. De undersöker också graden av sortering och separation som är möjlig för proteiner, livets cellulära maskiner. "Redan i detta dokument visar vi att för ett protein, vi kunde skilja på varianter. Vi skulle vilja tillämpa det på mer komplexa system och även hitta förhållanden där effekten manifesteras på lägre fält, som skulle utöka sin tillämpning till upptäckt av biomarkörer, "Sa Aksimentiev.

Studien, "Vattenkomprimeringsport för Nanopore-transport, "publicerades juni 2018 i Fysiska granskningsbrev .