高分子經(jīng)納米管道輸運(yùn)和檢測(cè)的模擬研究.pdf

1、生物高分子（DNA，蛋白質(zhì)等）通過(guò)納米孔穿過(guò)細(xì)胞膜的過(guò)程，是生物體內(nèi)一個(gè)很重要也很常見(jiàn)的過(guò)程。在過(guò)去的二十年里，由于納米技術(shù)的快速發(fā)展，人們已經(jīng)可以通過(guò)單分子實(shí)驗(yàn)技術(shù)觀(guān)測(cè)到這一過(guò)程。另一方面，人們也發(fā)現(xiàn)，利用納米孔也可以實(shí)現(xiàn)高分子的檢測(cè)和分離，比如說(shuō)，利用納米孔有可能對(duì)基因進(jìn)行測(cè)序。進(jìn)入21世紀(jì)，對(duì)基因組測(cè)序的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，而傳統(tǒng)的Sanger測(cè)序方法花費(fèi)高、速度慢，自2004年美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院開(kāi)始鼓勵(lì)研發(fā)下一代的測(cè)序技術(shù)，而納米孔

2、測(cè)序具有無(wú)須標(biāo)記、迅速、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此成了新一代測(cè)序技術(shù)的有力候選者。雖然有關(guān)高分子穿孔的實(shí)驗(yàn)取得了很大的進(jìn)步，但是這個(gè)過(guò)程中的某些機(jī)制還不是很清楚，這也促進(jìn)了理論和模擬對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行更深層次的研究。
　　利用納米孔進(jìn)行DNA測(cè)序等檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，一般是通過(guò)在膜兩端施加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)帶電的DNA生物分子進(jìn)行跨膜輸運(yùn)。這實(shí)際上是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，總的來(lái)說(shuō)，這一過(guò)程會(huì)受到五個(gè)因素的影響，(1)外加的電場(chǎng)強(qiáng)度，(2)高分子鏈本身的動(dòng)力學(xué)，

3、(3)納米孔的性質(zhì)，(4)高分子鏈和納米孔的相互作用，(5)溶液的性質(zhì)。最近的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用α-haemolysin蛋白(α-HL)作為納米孔時(shí)，由于孔兩側(cè)pH濃度梯度的不同會(huì)改變?chǔ)?HL蛋白的質(zhì)子化情況，進(jìn)而改變了DNA與納米孔的相互作用。我們進(jìn)而猜想，pH濃度梯度會(huì)導(dǎo)致高分子與納米孔之間產(chǎn)生梯度的相互作用，我們把這種相互作用簡(jiǎn)化為E=E0+kx，其中E0是管道入口處高分子與納米孔的相互作用強(qiáng)度，k是能量梯度，x是高分子單體在管道中

4、的位置。通過(guò)Fokker-Planck方程計(jì)算高分子穿過(guò)納米孔的首次穿越時(shí)間，我們發(fā)現(xiàn)，總存在一個(gè)最適合的能量梯度kc使高分子的首次穿越時(shí)間最小，這說(shuō)明我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)高分子與納米孔之間的相互作用來(lái)調(diào)節(jié)高分子的首次穿越時(shí)間。
　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述基于簡(jiǎn)單假設(shè)所作出的研究結(jié)果，我們還進(jìn)行了非格點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)Monte Carlo模擬來(lái)檢驗(yàn)我們的結(jié)果。我們的理論工作中，采用Fokker-Planck計(jì)算的首次穿越時(shí)間考慮的是反射/吸附邊

5、界條件，這個(gè)邊界條件忽略了高分子在輸運(yùn)過(guò)程中會(huì)有退出納米孔的情況。因此在模擬中我們計(jì)算了兩個(gè)時(shí)間，一個(gè)是首次穿越時(shí)間τFP，另一個(gè)是考慮了高分子可以退出納米孔的情況下的移位時(shí)間τt。模擬的結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果一致，同樣也發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)最適合的能量梯度kc使移位時(shí)間最小。
　　除了如α-HL之類(lèi)的生物納米孔，碳納米管(CNT)等無(wú)機(jī)納米孔的研究也引起了人們的廣泛關(guān)注。最近實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CNT可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA的高靈敏度檢測(cè):比如它可以檢測(cè)出單

6、個(gè)修飾堿基，而且相對(duì)尺寸較大的堿基反而會(huì)引起電流信號(hào)的顯著增強(qiáng)。為了更好的理解CNT高靈敏度檢測(cè)的機(jī)制，我們運(yùn)用全原子分子動(dòng)力學(xué)的方法，模擬研究了在施加偏壓的情況下，單鏈DNA在碳納米管中的構(gòu)象以及相應(yīng)離子電流對(duì)于Bzim-modified5hmC的響應(yīng)。我們的結(jié)果表明，雖然Bzim-modified5hmC的尺寸要比一般的堿基大，但是它的存在可以顯著增大穿過(guò)碳納米管的離子電流，這個(gè)結(jié)果與之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。這一反?，F(xiàn)象與DNA在碳納米