石墨烯納米孔DNA測序的分子動力學模擬研究.pdf

1、自從人類基因組圖譜完成以來，尋找快速而又廉價的DNA測序方法就一直是我們追求的目標。DNA測序指的是分析特定DNA片段的堿基序列，也就是腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)與鳥嘌呤(G)的排列方式。快速的DNA測序方法極大地推動了生物學和醫(yī)學領域的研究和發(fā)現，其在基礎生物學以及眾多的應用領域如診斷，生物技術，法醫(yī)生物學，生物系統(tǒng)學等中均有涉及。其中，固態(tài)納米孔（solidstatenanopore）測序被認為是下一代比較有潛力的快

2、速測序方法，在眾多的固態(tài)納米孔中，石墨烯(graphene)片層由于其特有的力學性質以及物理性質而特別引人注目。DNA經過納米孔道或者管道的移位過程是一個集物理，化學，生物等學科于一身的課題，其非常重要卻又異常復雜。如溶液的影響，孔厚度以及孔大小對于測序問題的影響等等。利用分子動力學模擬研究DNA分子在納米孔道中的移位以及動力學過程已經展現出了強大的優(yōu)勢，成為了除實驗手段外有力的研究工具。
　　本論文利用分子動力學(molecul

3、ardynamics，MD)先研究單層石墨烯片層的納米孔道對DNA分子測序的影響因素，這些影響因素包括納米孔道的大小，溶液離子濃度，外界電場強度等等。在此基礎上，我們研究了多層石墨烯片層的納米孔道對DNA分子測序的影響，主要研究了層數對于DNA分子測序的影響。隨后，我們用操控式分子動力學（steeredmoleculardynamics，SMD）模擬了將單鏈DNA(singlestrandDNA，ssDNA)從不同形狀構型的石墨烯納米孔

4、道拉伸出去，研究不同堿基是否可以根據不同的力特征峰值來分辨。最后我們考察了是否可以用不同堿基在納米孔中的移位時間不同而對DNA測序。本論文的主要研究結果如下:
　　1.研究不同直徑的單層石墨烯納米孔，鹽濃度以及偏壓對于poly(A-T)45在納米孔中移位過程的阻滯電流信號的影響，我們發(fā)現納米孔的直徑是影響納米孔測序精度的關鍵因素。DNA分子的轉移速度隨著偏壓的減小而減少，從而延長DNA分子在納米孔道中的滯留時間，使得檢測時間有所延

5、長。離子濃度對于電流信號的影響主要包括DNA分子和離子兩個方面，在低離子濃度時，DNA穿過納米孔時的電流比不穿孔時高，然而在高濃度時情況正好相反。通過研究這些因素，我們構建了非占據納米孔的面積與電流信號之間的關系模型，并且證明非占據納米孔面積是影響檢測DNA穿孔時的電流信號的最重要因素。
　　2.通過對DNA分子在多層石墨烯納米孔道中穿孔行為的研究，我們發(fā)現多層石墨烯對于DNA測序在精度方面優(yōu)于單層石墨烯。首先石墨烯層數在一定范圍

6、內的增加（1-7層）使得DNA分子穿孔的時間增長。其次，DNA分子通過多層石墨烯時檢測電流會有一個階梯形的變化從而使得電流信號的豐富度增加。在這些研究的基礎上，我們構建了檢測信號電流與納米孔體積之間的理論模型，發(fā)現檢測信號電流與非占據納米孔道體積息息相關，同時我們的研究還表明DNA分子穿孔的動力學行為與堿基和石墨烯片層之間的相互作用能息息相關。
　　3.與那些較大的石墨烯納米孔(＞3nm)相比，DNA分子在較小的納米孔(＜2nm)

7、中的穿孔行為顯得尤為特殊。由于雙鏈DNA分子的直徑較大(～1.8nm)，所以其很難自由的通過直徑小于1.6nm的納米孔。通過施加外力，包含有A，T，C，G四種堿基以及5-甲基化胞嘧啶的單鏈DNA分子片段在通過不同形狀的直徑都為1nm的石墨烯納米孔時，不同的堿基在圓形納米孔中展現出很好的單堿基精度的力的特征峰值;然而，在其他非對稱性的納米孔中（三角形，正方形，菱形）均不能實現。這個表明納米孔的對稱性對于實現石墨烯納米孔在DNA測序上應用是