[論文レビュー] ssDNA sequencing by rectification

Ivana Djurišić, Miloš S. Dražić+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2018

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 64被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、整流（非線形な電流-電圧応答）を利用することで高い塩基特異性を達成する、N-末端が付いたカーボンナノチューブ電極を備えたナノポアを用いた新規なssDNAシーケンシング手法を提案する。DFTおよびNEGFシミュレーションを用いて、バイアス依存の整流が界面非対称性、分子の帯電、およびHOMOピン留めによって生じることを示し、順序数の違いを示す信号差を有する選択的で高分解能かつ方向に頑健なDNAシーケンシングを実現している。

ABSTRACT

Fast, reliable and inexpensive DNA sequencing is an important pursuit in healthcare, especially in personalized medicine with possible deep societal impacts. Despite significant progress of various nanopore-based sequencing configurations, challenges remain in resolution (due to thermal fluctuations or to sensitivity to molecular orientation) and speed, which are calling for new approaches. Here we propose a sequencing protocol for DNA translocation through a nanopore with side-embedded N-terminated carbon nanotube electrodes. Employing DFT and Non-Equilibrium Green's Function formalism, we show that the rectification ratio (response to square pulses of alternating bias) bears high nucleobase specificity. The rectification arises due to bias-dependent resistance asymmetry on the deoxyribonucleotide-electrode interfaces. The asymmetry induces molecular charging and HOMO pinning to the electrochemical potential of one of the electrodes, assisted by an in-gap electric field effect caused by dipoles at the terminated electrode ends. This sequencing protocol is sensitive, selective with orders of magnitude, has high resolution, and it is robust to molecular orientation.

研究の動機と目的

• ナノポアシーケンシングにおける低分解能および分子配向への感受性といった限界を解決すること。
• イオン電流ではなく電子的シグネチャを用いることで、高感度かつ塩基特異性の高いシーケンシング手法を開発すること。
• 電極の終端形態および界面非対称性が選択的DNA検出を可能にする役割を解明すること。
• 調整されたナノシステムにおける整流が、各DNA塩基に対して明確に区別可能な測定可能な信号をもたらすことを示すこと。

提案手法

• 本手法は、ssDNAと分子ジャンクションを形成するため、側面に埋め込まれたN-末端が付いたカーボンナノチューブを電極とするナノポアを採用する。
• 密度汎関数理論（DFT）を用いてDNA-電極界面の電子構造をモデル化する。
• 非平衡グリーン関数（NEGF）形式を用いて、印加バイアス下での電流-電圧（I-V）特性を計算する。
• 整流比を測定するために、交互に極性が変化する方形波電圧パルスをシステムに印加する。
• 整流は、デオキシリボヌクレオチド-電極界面におけるバイアス依存の抵抗非対称性に起因する。
• 理論的分析により、一方の電極の電気化学的ポテンシャルへのHOMOピン留めが、CNT端部の双極子からのインギャップ電場によって駆動されていることが特定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノスケールのDNA-電極ジャンクションにおける整流が、シーケンシングに十分な塩基特異性を提供できるか？
• RQ2 DNAとN-末端が付いたCNT電極間の界面非対称性が整流挙動にどのように影響するか？
• RQ3 分子の帯電およびHOMOピン留めが整流応答にどの程度寄与するか？
• RQ4 ポア内でのDNA配向の変動に対して整流信号はどの程度頑健か？
• RQ5 整流比が4種類のDNA塩基を高コントラストで区別できるか？

主な発見

• 整流比は強い塩基特異性を示し、4種類のDNA塩基それぞれに明確に異なる値を示す。
• 整流効果は、DNA-電極界面におけるバイアス依存の抵抗非対称性に起因する。
• 分子の帯電および一方の電極の電気化学的ポテンシャルへのHOMOピン留めが、整流メカニズムにおいて重要である。
• CNT端部の双極子からのインギャップ電場が整流応答を強化し、HOMOピン留めを安定化させる。
• 本システムは分子配向に対して高い頑健性を示し、さまざまなDNAアラインメントにおいても区別可能な信号を維持する。
• 整流比は塩基間で10の数乗のオーダーの差を示し、高分解能の区別が可能である。