[논문 리뷰] Bilayer Graphene Lateral Contacts for DNA Sequencing

Yuhui He, Makusu Tsutsui외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 19.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 DNA 시퀀싱을 위한 이중층 그래핀 횡접촉(BGLC) 나노포어 장치를 제안한다. 두 그래핀 층이 0.34 nm 간격으로 분리되어 있으며, 이는 이동 중인 DNA를 통과하는 터널링 전류를 감지하는 횡전극으로 기능한다. 이 설계는 항상 한 뉴클레오티드만이 두 층과 접촉하도록 하여 단일 염기 해상도를 확보하며, 뉴클레오바이드 크기의 차이로 인한 전도도 변동을 최소화한다. 또한 분자 조작을 통해 단일 및 이중 나선형 DNA의 시퀀싱 가능성을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 그래핀 기반 DNA 시퀀싱 장치에서 서브나노미터 수준의 전극 정밀도를 확보하는 데 도전하는 데 목적을 두며.
• 기존 횡전극 설계에서 뉴클레오바이드 크기의 차이(피리미딘과 푸린)로 인해 발생하는 큰 전도도 변동을 극복하는 데 목적을 두며.
• 이중층 그래핀의 고유한 0.34 nm 층간 거리 특성을 활용하여 단일 염기 해상도를 달성하는 데 목적을 두며.
• 분자 조작을 통해 한 가닥을 선택적으로 감지함으로써 이중 나선형 DNA의 시퀀싱 가능성을 탐색하는 데 목적을 두며.
• 이전 설계에서 요구하는 서브나노미터 그래핀 갭 또는 리본 제작이 필요로 하는 복잡성을 줄이는 데 목적을 두며.

제안 방법

• 2.4 nm 두께의 실리콘 nitride 막에 내장된 이중층 그래핀 나노포어를 모델링하기 위해 NAMD2를 사용한 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행한다.
• DNA 이동을 유도하기 위해 약 300 pN의 인장력과 약 1 kcal/mol·e·Å의 축방향 전기장 강도를 적용한다.
• 모든 시뮬레이션 스크래치에서 시간에 따라 변하는 분자의 오비탈 및 HOMO 위치를 YAEHMOP를 사용해 계산하여 전자적 성질을 추출한다.
• 선형 반응 터널링 전도도 공식 $ G_0 = \frac{2e^2}{h} \frac{\Gamma_L \Gamma_R}{(\varepsilon_f - \varepsilon_0)^2} $ 을 사용하여 결합 및 에너지 준위 기반으로 전도도를 추정한다.
• TIP3 수분과 1 M KCl 이온을 사용한 정기적 경계 조건을 적용하며, DNA에는 CHARMM27, 그래핀 원자에는 UFF를 사용한다.
• 단일 및 이중 나선형 DNA의 이동을 시뮬레이션하며, 뉴클레오티드 위치 $ \vec{r}(t) $ 와 힘 변동 $ <\Delta\vec{r}^2> $ 를 추적한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서브나노미터 제작 정밀도가 요구되지 않는 이중층 그래핀 횡접촉이 DNA 시퀀싱에서 단일 염기 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 이중층 그래핀의 0.34 nm 층간 거리가 DNA 이동 중 뉴클레오티드와 전극 간의 결합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기존 횡전극 설계에서 뉴클레오바이드 크기의 차이로 인한 터널링 전도도 변동은 어느 정도이며, BGLC 구조가 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ4 제어된 분자 조작을 통해 한 가닥을 선택적으로 감지함으로써 BGLC를 이용해 이중 나선형 DNA를 시퀀싱하는 것이 가능한가?
• RQ5 이동 중인 DNA 가닥의 힘 변동과 위치 안정성이 BGLC 시스템의 전기적 신호 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이중층 그래핀의 0.34 nm 층간 거리는 항상 한 뉴클레오티드만이 두 전극과 동시에 접촉하도록 하여 내재된 단일 염기 해상도를 보장한다.
• BGLC 설계는 상하 전극이 동일한 횡측면에 위치해 있어 접촉 거리에 대한 지수적 의존도를 피함으로써 뉴클레오바이드 크기의 차이로 인한 전도도 변동을 최소화한다.
• MD 시뮬레이션 결과, 분자 조작을 통해 이중 나선형 DNA의 한 가닥이 이중층 전극 근처에 선호적으로 정렬되며, 이로 인해 해당 가닥의 전기적 탐지가 가능해진다.
• BGLC에서 이중 나선형 DNA에 대해 계산된 시간에 따라 변하는 터널링 전도도 $ G(t) $ 는 각 뉴클레오티드마다 명확한 특징을 보이며, 기반 식별 가능성을 시사한다.
• 강한 조작 조건 하에서 힘 변동 $ <\Delta\vec{r}^2> $ 가 크게 감소하여 신호 안정성과 해상도가 향상된다.
• 제안된 구조는 서브나노미터 정밀도가 요구되는 그래핀 갭 또는 리본 제작이 필요로 하지 않아 실험적 구현을 크게 단순화한다.