Tout conducteur de camion sait que l'hydraulique fait le gros du travail. L'eau fait le travail car elle est presque incompressible à des échelles normales. Mais les choses se comportent étrangement en nanotechnologie, le contrôle des matériaux à l'échelle des atomes et des molécules. À l'aide de supercalculateurs, les scientifiques ont découvert une quantité surprenante de compression de l'eau à l'échelle nanométrique. Ces découvertes pourraient aider à faire progresser le diagnostic médical grâce à la création de systèmes à l'échelle nanométrique qui détectent, identifier, et trier les biomolécules.

L'effet inattendu vient de l'action d'un champ électrique sur l'eau dans des pores très étroits et dans des matériaux très minces. C'est selon les recherches d'Aleksei Aksimentiev et James Wilson du Département de physique de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Ils ont publié leurs conclusions dans Lettres d'examen physique , juin 2018.

"Nous avons découvert qu'un champ électrique peut comprimer l'eau localement, et que la compression de l'eau empêcherait les molécules d'être transportées à travers de petits pores, " a déclaré Aksimentiev. " C'est un effet très contre-intuitif, car on suppose généralement qu'un champ électrique plus élevé propulserait les molécules plus rapidement à travers le pore. Mais parce que le champ électrique comprime aussi l'eau, le résultat serait le contraire. C'est-à-dire, le champ électrique plus élevé ne permettrait pas aux molécules de passer." En effet, la compression de l'eau générée par le champ électrique plus élevé a éloigné les molécules d'ADN des canaux nanopores.

Aksimentiev et Wilson ont travaillé avec une membrane de graphène d'un atome d'épaisseur. Ils y ont percé un trou de 3,5 nanomètres de large, juste assez large pour laisser passer un brin d'ADN. Un champ électrique externe a tiré l'ADN à travers le trou, comme enfiler une aiguille. Les lettres nucléotidiques A-C-T-G qui composent les barreaux de l'ADN double brin produisent des signaux lorsqu'ils traversent le pore, analogue à la lecture d'une bande dans un magnétophone. Cette méthode en cours de développement, appelé séquençage nanopore, est une alternative au séquençage classique. Il ne dépend pas des enzymes de réaction en chaîne de la polymérase pour amplifier l'ADN et permet en théorie des lectures beaucoup plus longues.

"Nous travaillons depuis un certain temps déjà sur l'étude du séquençage des nanopores, et le but du domaine est d'utiliser la nanotechnologie pour lire la séquence d'ADN, ARN, et les protéines directement, sans utiliser aucune sorte d'enzymes."

Aksimentiev et Wilson essayaient initialement dans l'étude de quantifier la fréquence à laquelle l'ADN est capturé par les pores du graphène. Leur objectif est d'augmenter la capture et donc le rendement d'ADN séquencé à travers le nanopore.

"Étonnamment, nous avons constaté qu'au fur et à mesure que nous augmentions ce champ pour augmenter le taux de capture d'ADN, nous avons constaté qu'il ne passe pas après une certaine tension de seuil, ce qui était un peu choquant, " a déclaré Aksimentiev.

"Nous avons commencé à chercher toutes les choses possibles qui pourraient mal tourner avec nos simulations, " expliqua Aksimentiev. " Nous avons tout vérifié, et nous nous sommes convaincus que c'était bien une chose réelle. C'est la physique qui nous parle à travers des simulations entièrement atomiques."

Ils ont mesuré la force du champ électrique sur les molécules d'ADN, en utilisant différentes constructions d'ADN et en faisant varier la concentration de la solution d'électrolyte et la taille des pores et de la membrane. « À partir de ces mesures, nous avons eu cette idée que c'est la compression de l'eau qui empêche l'ADN de passer, " a déclaré Aksimentiev.

La taille est primordiale lorsqu'il s'agit des défis informatiques de la simulation des nanopores. "Le problème est que nous devons prendre en compte le mouvement de chaque atome de notre système, " a déclaré Aksimentiev. " Les systèmes sont généralement composés de 100, 000 atomes. C'était d'une importance cruciale pour la découverte du phénomène que nous avons fait."

Le temps de supercalculateur a été attribué via XSEDE, l'environnement de découverte de la science et de l'ingénierie extrêmes, financé par le National Science. Fondation. Les allocations XSEDE ont permis aux chercheurs d'utiliser les systèmes Stampede1 et Stampede2 du Texas Advanced Computing Center; et Blue Waters au National Center for Supercomputing Applications.

Aksimentiev a attribué à XSEDE la part du lion de l'étude à l'échelle nanométrique. « Je dirais que sans XSEDE nous ne serions pas là où nous en sommes dans notre projet. Sans XSEDE, Je ne vois pas comment nous pourrions accomplir le travail que nous faisons. Il n'y a pas que ce projet. Il n'y a pas que ce système, mais il y a tellement de systèmes différents que notre groupe et d'autres groupes étudient. Ce que j'aime dans XSEDE, c'est qu'il donne accès à divers systèmes. Le portail XSEDE lui-même est un autre avantage, parce que dans un portail, je peux voir tout ce qui se passe sur toutes les machines. Cela permet de gérer très facilement les allocations et les tâches, " a déclaré Aksimentiev.

"Spécifiquement à Stampede2, " Aksimentiev continua, « nous avons pu exécuter de nombreuses simulations en parallèle. Ce n'est pas seulement que notre simulation individuelle utilise de nombreux cœurs de Stampede2. En même temps, nous avons également dû exécuter des simulations multicopies, où de nombreuses simulations s'exécutent en même temps. Cela nous a permis de mesurer les forces avec la précision qui nous a permis de conclure sur la nature du phénomène physique. La rapidité et la précision de la machine Stampede2 sont incroyables."

James Wilson, un chercheur postdoctoral travaillant avec Aksimentiev, a ajouté que " en exécutant les simulations sur Stampede2, J'ai pu terminer vingt simulations en quelques jours, réduisant considérablement mon temps de résolution. » Il a expliqué qu'une seule simulation de dynamique moléculaire NAMD prendrait environ deux semaines sur des postes de travail locaux.

"La chose la plus importante, " Aksimentiev a dit, "est-ce très précis, des simulations précises sur de gros ordinateurs est un outil de découverte. Ce travail lui attribue vraiment, parce que nous avons décidé de faire autre chose. Nous avons découvert un nouveau phénomène dans les nanopores. Et nous l'expliquons par des simulations. Il y a tellement de découvertes à faire avec les ordinateurs. C'est pourquoi la recherche sur les superordinateurs mérite d'être financée."

La prochaine étape de ce travail, a poursuivi Aksimentiev, est de voir si l'effet se produit également dans les canaux biologiques et pas seulement avec la membrane de graphène. Ils explorent également le degré de tri et de séparation possible pour les protéines, la machinerie cellulaire de la vie. "Déjà dans cet article, nous montrons que pour une protéine, nous avons pu différencier les variantes. Nous aimerions l'appliquer à des systèmes plus complexes et également trouver des conditions où l'effet se manifeste à des champs plus faibles, qui élargirait son application à la détection de biomarqueurs, " a déclaré Aksimentiev.

L'étude, "Gating par compression d'eau du transport de nanopores, " a été publié en juin 2018 dans Lettres d'examen physique .