[論文レビュー] The Fluctuations of Blocked Ionic Current Reveal the Instantaneous Statuses of DNA in Graphene Nanopore

Wenping Lv, Ren’an Wu|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2013

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 44被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、分子動力学シミュレーションを用いて、グラフェンナノポアを通過するDNAのリアルタイムな構造的変化を、ノイズ除去されたイオン電流の揺らぎから特定できることを示した。研究結果は、イオン電流の揺らぎがDNA塩基対の近接度（1.5 nm以内）に敏感であることを示しており、未解決のノイズ問題は残っているものの、グラフェンベースのナノポアシーケンスにおいて単一塩基分解能を達成する可能性が極めて高いことを示している。

ABSTRACT

Extracting the sequence information of DNA from the blocked ionic current is the crucial step of the ionic current-based nanopore sequencing approaches. The thinnest graphene nanopore, which contained only one layer of carbon atoms, potentially has ultra-high DNA sequencing sensitivity. However, the dynamical translocation information of DNA contained in the blocked ionic current has not been well understood to date. In this letter, an assessment to the sensitivity of ionic current-based graphene nanopore DNA sensing approach was carried out using molecular dynamics simulations. By filtering the molecular thermal motion induced noise of ionic current, we found that the instantaneous conformational variations of DNA in graphene nanopore could be revealed from the fluctuations of the denoised ionic current. However, the blockage of ionic current which induced by the proximity of the DNA base-pairs to the nanopore (within 1.5 nm) was also observed. Although the expected single-base resolution of graphene nanopore should be enhanced by further studies, our findings indicated that the ionic current-based graphene nanopore sensing approach has high sensitivity to the instantaneous translocation status of DNA.

研究の動機と目的

• 瞬時のDNA透過状態を検出可能な、イオン電流に基づくグラフェンナノポアDNAセンシングの感度を評価すること。
• 分子の熱運動が、グラフェンナノポアにおけるイオン電流信号に及ぼす影響を調査すること。
• 透過中のDNAの一時的構造が、イオン電流の揺らぎによって特定可能かどうかを検証すること。
• グラフェンナノポアが、DNAシーケンスにおいて単一塩基分解能を達成する可能性を評価すること。

提案手法

• DNAの単層グラフェンナノポアを通過する過程をモデル化するために、分子動力学シミュレーションが用いられた。
• 生理的条件下でイオン電流をシミュレートし、リアルタイムのダイナミクスを捉えた。
• 熱運動に起因するノイズを除去するために、ノイズ除去技術が適用された。
• ノイズ除去された電流の揺らぎを解析し、瞬時のDNA構造的状態と相関をとらせた。
• ナノポアからのDNA塩基対の距離（1.5 nm以内）を定量的に評価し、センシング感度を測定した。
• シーケンス可能性を評価するため、イオン電流のブロッキングとDNA塩基対の位置関係の関係を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンナノポアにおけるイオン電流の揺らぎは、透過中のDNAのリアルタイムな構造的ダイナミクスを明らかにできるか？
• RQ2 熱運動は、グラフェンナノポアにおけるイオン電流信号の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ3 DNA塩基対の近接度（1.5 nm以内）が、イオン電流のブロッキングおよび信号分解能に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 ノイズ除去されたイオン電流の揺らぎは、グラフェンナノポアシーケンスにおいて単一塩基分解能を実現可能か？
• RQ5 透過中の一時的DNA構成に対する、グラフェンナノポアの感度はいかほどか？

主な発見

• ノイズ除去されたイオン電流の揺らぎから、グラフェンナノポア内におけるDNAの瞬時の構造的変化が明らかになった。
• ナノポアに1.5 nm以内に近接するDNA塩基対が、測定可能なイオン電流ブロッキングを誘発した。
• イオン電流信号は、透過中の一時的DNA構成に高い感度を示した。
• 熱ノイズが生じたままのイオン電流信号は著しく歪められ、意味のある解析にはノイズ除去が不可欠であった。
• 研究結果は、さらなる精錬を経れば、グラフェンナノポアが単一塩基分解能を達成する可能性を示唆している。
• 本研究は、イオン電流の揺らぎが、ポア内でのDNAの動的状態に関する詳細な情報を保持していることを確認した。