[論文レビュー] Bilayer Graphene Lateral Contacts for DNA Sequencing

Yuhui He, Makusu Tsutsui+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2012

Nanopore and Nanochannel Transport Studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、DNAシーケンシングのための二層グラフェン横方向接触（BGLC）ナノポアデバイスを提案する。0.34 nm 離隔された二層のグラフェンが横方向電極として機能し、通過するDNAを通過するトンネル電流を検出する。この設計により、一度に両方の層に接触するのは1つのヌクレオチドのみとなるため、内在的な1塩基分解能が実現され、ヌクレオビンのサイズ差に起因する電導度の変動が最小限に抑えられる。また、分子操作により単鎖および二本鎖DNAの両方をシーケンシング可能である可能性を示している。

ABSTRACT

Translocation of DNA through a nanopore with embedded electrodes is at the centre of new rapid inexpensive sequencing methods which allow distinguishing the four nucleobases by their different electronic structure. However, the subnanometer separation between nucleotides in DNA requires ultra-sharp probes. Here, we propose a device architecture consisting of a nanopore formed in bilayer graphene, with the two layers acting as separate electrical contacts. The 0.34 nm interlayer distance of graphene is ideally suited for electrical coupling to a single nucleobase, avoiding the difficulty of fabricating probes with subnanometer precision. The top and bottom graphene electrodes contact the target molecule from the same lateral side, removing the orders-of-magnitude tunneling current variations between smaller pyrimidine bases and larger purine bases. We demonstrate that incorporating techniques for molecular manipulation enables the proposed device to sequence single-stranded DNA and that it offers even the prospect of sequencing double-stranded DNA.

研究の動機と目的

• グラフェンベースのDNAシーケンシングデバイスにおける、サブナノメートル級電極精度の課題を解決すること。
• 従来の垂直電極構造において、ピリミジンとプリンのサイズ差に起因する大きな電導度変動を克服すること。
• 二層グラフェンの内在的0.34 nm 間隔を活用し、1塩基分解能を実現すること。
• 分子操作により片方の鎖を選択的に検出することで、二本鎖DNAのシーケンシングの可能性を検討すること。
• サブナノメートルのグラフェンギャップやリブンを必要とする従来の設計と比較し、製造複雑性を低減すること。

提案手法

• 2.4 nm 厚の窒化シリコン膜に埋め込まれた二層グラフェンナノポアを対象とし、NAMD2を用いた分子動力学（MD）シミュレーションを実施する。
• DNAの通過を駆動するため、約300 pN の引張力と約1 kcal/mol·e·Å の軸方向電界を適用する。
• 各シミュレーションスナップショットでYAEHMOPを用いて時間依存分子オービタルおよびHOMO位置を計算し、電子的性質を抽出する。
• 線形応答トンネル電導度式 $ G_0 = \frac{2e^2}{h} \frac{\Gamma_L \Gamma_R}{(\varepsilon_f - \varepsilon_0)^2} $ を用いて、結合およびエネルギー準位に基づき電導度を推定する。
• 周期的境界条件を適用し、TIP3水分子および1 M KClイオンを用い、DNAにはCHARMM27、グラフェン原子にはUFFを適用する。
• 単鎖および二本鎖DNAの通過をシミュレートし、ヌクレオチド位置 $ \vec{r}(t) $ および力の揺らぎ $ <\Delta\vec{r}^2> $ を追跡する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブナノメートルの製造精度を要しない二層グラフェン横方向接触が、DNAシーケンシングで1塩基分解能を達成できるか。
• RQ2 二層グラフェンの0.34 nm 間隔が、通過中のヌクレオチドと電極間の結合にどのように影響するか。
• RQ3 従来の垂直電極構造において、ヌクレオビンのサイズ差がトンネル電導度に与える影響はどの程度で、BGLC構造によってこれを軽減できるか。
• RQ4 制御された分子操作により、片方の鎖を効果的に検出することで、BGLCを用いた二本鎖DNAのシーケンシングは可能か。
• RQ5 通過中のDNA鎖の力の揺らぎおよび位置的安定性が、BGLCシステムにおける電気的信号の信頼性にどのように影響するか。

主な発見

• 二層グラフェンの0.34 nm 間隔により、自然に一度に両電極に接触するのは1つのヌクレオチドのみとなるため、内在的な1塩基分解能が実現される。
• BGLC設計により、上部および下部電極が同じ横方向に位置するため、接触距離の指数関数的依存性が回避され、ヌクレオビンのサイズ差に起因する電導度の変動が最小限に抑えられる。
• MDシミュレーションの結果、分子操作により二本鎖DNAの片方が二層電極に優先的に近づくことが示され、その鎖の選択的電気的同定が可能となる。
• dsDNAの時間依存トンネル電導度 $ G(t) $ は、各ヌクレオチドごとに明確な特徴を持つことが判明し、塩基同定の可能性を示唆している。
• 強い分子操作下では力の揺らぎ $ <\Delta\vec{r}^2> $ が顕著に低減され、信号の安定性および分解能が向上する。
• 提案された構造により、サブナノメートルのグラフェンギャップやリブンの製造精度を要しないため、実験的実装が著しく簡素化される。