带电石墨烯上单链DNA的构象转换和停止的纳米孔运输|Aksimentiev集团

带电石墨烯上单链DNA的构象过渡和停止的纳米孔运输

Manish Shankla和Aleksei Aksimentiev
自然通讯5 5171（2014）
doi：10.1038/ncomms6171 Bibtex

强调

个性化的DNA测序是医学的下一个主要里程碑。医生已经开始对患者的基因组进行全面测序，以评估遗传风险。基于纳米孔的DNA测序原则上提供了一种低成本的替代方案，它是当前DNA测序方法，具有实时读取DNA序列的当前DNA测序方法，因为电场将DNA通过纳米孔驱动DNA。为了识别纳米孔内部的底座，必须精确控制DNA通过孔的运动。

抽象的

控制与生物分子的相互作用是石墨烯在生物技术中应用的关键。一种这样的应用是纳米孔测序，其中DNA分子通过石墨烯纳米孔进行电泳驱动。在这里，我们研究了如何通过电偏膜来控制单链DNA和石墨烯膜的相互作用。我们的分子动力学模拟的结果表明，石墨烯上的电荷可以迫使DNA均聚物采用一系列明显不同的构象。构象反应对甚至非常微妙的核苷酸修饰（例如DNA甲基化）敏感。通过石墨烯纳米孔的DNA运动的速度受到石墨烯电荷的强烈影响：正电荷加速了运动，而负电荷会阻止它。作为效果的可能应用，我们证明了由石墨烯电荷控制的DNA的停止传输。这种DNA的按需转运对于实现纳米孔测序至关重要。

单链DNA（ssDNA），poly（dt）₂₀，位于嵌入石墨烯膜中的纳米孔内（灰色）。纳米孔外部的ssDNA的核苷酸被吸附到石墨烯膜上。吸附的链横向跨石墨烯膜扩散。

聚（DT）的典型构象₂₀链附近的两层石墨烯膜，充电为-2.0 e nm^-2。电荷在0.0之间调制 e nm^-2（黄色）和-2.0 e nm^-2（绿色）。单链DNA（ssDNA）从负电荷的石墨烯膜中解开，并吸附到中性膜上。

两层石墨烯膜上的电荷在0.0之间调节e nm^-2和+2.0 e nm^-2。当膜被实现充电时，ssDNA的基部相对于膜倾斜；只有一小部分碱原子与膜直接接触。主链的磷酸组与石墨烯表面结合。

聚（DG）₂₀在-2.0上的纳米孔内enm^-2充电膜。鸟嘌呤碱基上的胺基与石墨烯膜的表面接触，而被负电荷的骨架从膜中排斥。

聚（DT）₂₀在-2.0内enm^-2两层石墨烯膜。应用500mV的跨膜电势将驱动ssDNA穿过膜。DNA碱基与嵌入负电荷石墨烯内部的纳米孔之间的相互作用防止驱动电位下的易位。

poly（DT）的停止运输₂₀链穿过三层石墨烯膜中的纳米孔。背景的颜色示意性地指示了±500 mV跨膜偏置的存在。ssDNA链的运动受石墨烯膜的电荷控制：该运动在+1.5 e nm处促进^-2（红色）并在-1.5 e nm处被捕^-2（绿色）。使用根据核苷酸数颜色的VDW球显示了DNA。这部电影说明了连续的MD轨迹的860 ns。在每个膜电荷调节期间，MD轨迹暂停；电荷调整的实际时间尺度为0.2 ns。