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Simulando transporte eletrônico em sistemas biológicos: aplicações no sequenciamento de DNA

Alexandre Rocha (IFT-UNESP)

A molécula de DNA é uma das estruturas biológicas mais importantes, uma vez que contém toda a informação necessária para dar forma e função a todos os seres vivos. A molécula de DNA é formada por duas longas cadeias, cada uma das quais é organizada pela combinação de quatro bases nitrogenadas chamadas aminoácidos. As possíveis combinações destas moléculas geram o que Schroedinger, em sua série de palestras entitulada "What is Life", chamou de código genético. Decifrar este código, ou seja, determinar a sequência exata dos aminoácidos que formam a cadeia é fundamental para entender a fisiologia dos seres vivos e determinar a predisposição à diferentes patologias. O custo do procedimento de sequenciamento do DNA, no entanto, ainda é elevado demais para que possa ser utilizado em diagnósticos médicos cotidianos. Novos métodos de sequenciamento, portanto devem ser desenvolvidos. Uma das possibilidades é utilizar nanoporos pelos quais um strand de DNA passa enquanto,
concomitantemente se mede a corrente transversal através do poro. A assinatura de cada base na corrente poderia então ser utilizada para diferenciar entre os aminoácidos.

Neste seminário, a pergunta que irei respoder é: como simular o
transporte eletrônico em um sistema como este? Devemos levar em
consideração a dinâmica do strand de DNA enquanto este passa através do nanoporo e o fato de que o sistema está imerso em uma solução aquosa totalizando milhares de átomos. A fim de tratar este problema irei apresentar uma metodologia que separa o sistema em dois. Tratarei o problema utilizando a teoria do funcional da densidade sob o efeito de potenciais clássicos obtidos por meio de dinâmica molecular clássica. Utilizando este procedimento, conhecido como QM/MM é possível construir um Hamiltoniano quântico influenciado por um potencial externo que pode ser utilizado para calcular, por meio de funções de Green fora do Equilíbrio, as propriedades de transporte do sistema. Apresentarei resultados deste procedimento aplicados às propriedades de transporte de nanoporos de grafeno utilizados para o sequenciamento de DNA.