电浆纳米孔的捕获、控制位移和DNA测序

格言。贝尔金,蜀汉曹国伟,马格努斯·琼森齐斯德克,阿列克谢Aksimentiev
ACS Nano9 (11)10598 - 10611 (2015)
DOI:10.1021 / acsnano.5b04173助理

突出

DNA是人类的分子编码吗遗传信息在它的核苷酸序列。快速阅读这个序列的能力、可靠和低成本的第一步个性化医疗。不幸的是,目前采用的方法读取DNA序列有各种各样的缺点,如过于昂贵或占用太多的时间。在合成纳米孔膜,或者干脆固态纳米孔,已经成为一种很有前途的单分子研究的平台。在一个典型的设置,与纳米孔膜是放置在一个解决方案和应用电偏压驱动器带电分子如DNA和离子穿过孔。纳米孔测序DNA的方法是阅读的核苷酸序列在一个分子穿过孔。然而,通常采用离子电流测量不够敏感检测分钟组织原子的核苷酸的差异。此外,运动快速DNA通过合成纳米孔很难获得明确的信号需要提取DNA序列的信息。电浆纳米孔参与nanoplasmonics通过孔隙控制DNA的电泳运动以及阅读的核苷酸序列,大大增强拉曼光谱信号。在我们的研究中,我们使用计算方法来研究固态纳米孔,等离子体共振,和表面增强拉曼光谱可以一起工作使快速、廉价、可靠的DNA测序成为现实。

文摘

目的是开发一个DNA测序方法,我们从理论上研究使用nanoplasmonics控制的可行性的易位DNA分子通过固态纳米孔和读出序列信息使用表面增强拉曼光谱。使用分子动力学模拟,我们表明,高强度光热点产生的金属纳米结构可以逮捕DNA通过固态纳米孔移位,从而提供一个物理旋钮控制DNA的速度。开关电浆领域可以取代DNA分子在离散步骤,顺序暴露邻近片段的DNA分子孔隙以及电浆热点。表面增强拉曼散射的暴露DNA片段包含他们的核苷酸组成信息,可能允许识别的核苷酸序列DNA分子运输通过热点。电浆纳米孔测序可以扩展的原则修改DNA和RNA的检测鉴定。

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捕获的双链DNA的一个电浆热点附近的金领结结构。这样一个捕获政权的特点是低权力入射激光辐照。箭头说明力的电浆领域基地的DNA分子穿过电浆纳米孔结构。

捕获的双链DNA特征强烈的电浆领域的优势。这样产生的电浆字段领结结构时的大小indicent激光辐照高。箭头说明力的电浆领域基地的DNA分子穿过电浆纳米孔结构。在这样一个捕获政权,两个区域的双链DNA分子的表面增强拉曼光谱信号。因为电浆热点可以陷阱的不同链分子,这个政权并不有利于DNA测序的应用程序。

电浆控制DNA电泳运动通过电浆纳米孔。电场不断拉跨细胞膜和DNA分子通过纳米孔。电浆领域由开关调制入射激光。激光打开时,电浆字段陷阱分子和停止其通过孔隙易位。激光关闭时,DNA离开电浆热点,把进一步通过孔隙。在这个视频中每个(捕获和释放)阶段的持续时间是20 ns总段调制周期40 ns。电浆磁场强度对应于一个3.7兆瓦入射激光束。

步进式运动的DNA通过电浆纳米孔引起的周期性调制入射激光的辐射。

捕获的双链DNA分子的“非对称”电浆纳米孔的强度电浆热点之一是signiticantly降低(在模拟第二电浆热点是完全抑制)。的电浆热点陷阱的DNA没有显示清晰。500 mv应用跨膜偏见把分子通过孔隙。电浆磁场强度对应于一个7.4兆瓦入射激光束。

捕获的双链DNA分子的“非对称”电浆纳米孔的强度电浆热点之一是signiticantly降低(在模拟第二电浆热点是完全抑制)。的电浆热点陷阱的DNA没有显示清晰。350 mv应用跨膜偏见把分子通过孔隙。电浆磁场强度对应于一个5.2兆瓦入射激光束。

插图的方法在电浆纳米孔测序单链DNA分子。分子被光学领域新兴的设备时,被一个入射激光辐射。应用电动偏见把分子通过孔隙(图中)而untranslocated DNA尾(没有显示)创建张力,防止二级结构的形成。表面增强拉曼光谱(ser)标识的构成核苷酸的电浆热点。ser跟踪分析报告中的核苷酸序列的信号分子。

该方法的概述在固态纳米孔测序DNA。分子是通过孔隙和通过应用跨膜电偏见。入射激光辐射激发电浆热点,吸引分子,最终,停止其通过孔隙易位。高强度光字段增加了喇曼散射信号报告核苷酸的DNA分子的身份。