[논문 리뷰] ssDNA sequencing by rectification

Ivana Djurišić, Miloš S. Dražić외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 03.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies참고 문헌 64인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 정류(비선형 전압-전류 응답)를 이용하여 높은 뉴클레오타이드 기반 특이성을 달성하는 새로운 단일화합물 DNA 시퀀싱 방법을 제안한다. N-말단이 있는 탄소 나노튜브 전극를 갖춘 나노포어를 사용하며, DFT 및 NEGF 시뮬레이션을 통해 전압 편향에 따라 변화하는 정류 현상은 표면 비대칭성, 분자 전하 및 HOMO 고정 현상에 기인하며, 이는 순서 수준의 신호 차이를 만들어내어 선택적이고 고해상도이며 방향에 관계없이 안정된 DNA 시퀀싱을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노포어 시퀀싱의 한계인 낮은 해상도와 분자 배향에 대한 민감성 문제를 해결하기 위해.
• 이온 전류가 아닌 전자 서명을 이용해 고감도 및 뉴클레오타이드 기반 특이성이 높은 시퀀싱 방법을 개발하기 위해.
• 전극 종료 조건과 계면 비대칭성이 선택적 DNA 탐지에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 특수 설계된 나노시스템에서의 정류 현상이 각 DNA 기반에 대해 구분 가능한 측정 가능한 신호를 제공할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 단일화합물 DNA와 분자 접합을 형성하기 위해 측면에 내장된 N-말단 탄소 나노튜브 전극를 갖춘 나노포어를 사용한다.
• 밀도 함수 이론(DFT)을 사용하여 DNA-전극 계면의 전자 구조를 모델링한다.
• 비평형 그린 함수(NEGF) 형식을 사용하여 외부 전압을 가했을 때의 전류-전압(I-V) 특성을 계산한다.
• 정류 비를 측정하기 위해 극성이 번갈아 가며 적용되는 정사각형 전압 펄스를 시스템에 가한다.
• 정류 현상은 탈옥시리보뉴클레오타이드-전극 계면에서 전압에 따라 변화하는 저항 비대칭성에 기인한다.
• 이론적 분석은 한 전극의 전기화학적 위치에 비해 HOMO가 고정되며, CNT 끝부분의 극성으로 인한 금속 간 전기장에 의해 이 과정이 유도됨을 밝혀냈다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노스케일 DNA-전극 접합에서의 정류 현상이 시퀀싱에 충분한 뉴클레오타이드 기반 특이성을 제공할 수 있는가?
• RQ2 DNA와 N-말단 CNT 전극 사이의 계면 비대칭성이 정류 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 분자 전하 및 HOMO 고정이 정류 반응에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 나노포어 내에서 DNA의 방향 변화에 대해 정류 신호는 얼마나 견고한가?
• RQ5 정류 비는 네 가지 DNA 기반을 고해상도로 명확히 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 정류 비는 각 네 가지 DNA 기반에 대해 명확히 구분되는 값으로 나타나 강력한 뉴클레오타이드 기반 특이성을 보였다.
• 정류 현상은 DNA-전극 계면에서 전압에 따라 변화하는 저항 비대칭성에 의해 유도된다.
• 분자 전하 및 한 전극의 전기화학적 위치에 대한 HOMO 고정이 정류 메커니즘에 핵심적인 역할을 한다.
• CNT 끝부분의 극성으로 인한 금속 간 전기장은 정류 반응을 강화하고 HOMO 고정을 안정화시킨다.
• 시스템은 분자 배향에 대해 매우 높은 내구성을 보이며, 다양한 DNA 정렬에서도 구분 가능한 신호를 유지한다.
• 기반 간 정류 비는 수 개의 순서 수준으로 변화하여 고해상도의 구분이 가능하다.