[논문 리뷰] The Fluctuations of Blocked Ionic Current Reveal the Instantaneous Statuses of DNA in Graphene Nanopore

Wenping Lv, Ren’an Wu|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 15.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies참고 문헌 44인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여 그래핀 나노포어를 통과하는 DNA의 실시간 구조적 변화를 노이즈 제거된 이온 전류 변동성에서 파악할 수 있음을 입증한다. 연구 결과는 이온 전류 변동성이 1.5 nm 이내의 DNA 기저 쌍 간 거리에 민감하게 반응함을 보여주며, 아직 해결되지 않은 노이즈 문제에도 불구하고 그래핀 기반 나노포어 시퀀싱에서 단일 기저 해상도의 높은 잠재력을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이온 전류 기반 그래핀 나노포어 DNA 센싱이 순식간의 DNA 이행 상태를 감지하는 데의 민감도를 평가하기 위해.
• 분자 열운동 노이즈가 그래핀 나노포어의 이온 전류 신호에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 이온 전류 변동성이 이행 중 일시적인 DNA 구조를 드러내는 데 가능한지를 규명하기 위해.
• 그래핀 나노포어가 DNA 시퀀싱에서 단일 기저 해상도를 달성하는 데의 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• DNA 이행을 단일층 그래핀 나노포어를 통해 모델링하기 위해 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하였다.
• 실시간 역학을 캡처하기 위해 생리학적 조건 하에서 이온 전류를 시뮬레이션하였다.
• 열운동에 의해 유도된 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 제거 기법을 적용하였다.
• 노이즈 제거된 전류 변동성을 분석하여 순식간의 DNA 구조적 상태와의 상관관계를 규명하였다.
• 나노포어에 가까운 DNA 기저 쌍 간 거리(1.5 nm 이내)를 정량화하여 감지 민감도를 평가하였다.
• 시퀀싱 잠재력 평가를 위해 이온 전류 차단과 DNA 기저 쌍의 위치 배치 간 관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 나노포어에서의 이온 전류 변동성은 이행 중 DNA의 실시간 구조적 동역학을 드러낼 수 있는가?
• RQ2 열운동은 그래핀 나노포어에서 이온 전류 신호의 감지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 DNA 기저 쌍 간 거리(1.5 nm 이내)가 이온 전류 차단 및 신호 해상도에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 노이즈 제거된 이온 전류 변동성은 그래핀 나노포어 시퀀싱에서 단일 기저 해상도를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 이행 중 일시적인 DNA 구성에 대해 그래핀 나노포어의 민감도는 어떠한가?

주요 결과

• 노이즈 제거된 이온 전류 변동성은 그래핀 나노포어 내 DNA의 순식간의 구조적 변형을 드러내었다.
• 나노포어에 1.5 nm 이내에 있는 DNA 기저 쌍 간 거리에서 측정 가능한 이온 전류 차단이 발생하였다.
• 이온 전류 신호는 이행 중 일시적인 DNA 구성에 대해 높은 민감도를 보였다.
• 열 노이즈는 원시 이온 전류 신호를 크게 흐리게 하여 의미 있는 분석을 위해 노이즈 제거가 필수적임을 보여주었다.
• 결과적으로 그래핀 나노포어는 향후 개선을 통해 단일 기저 해상도를 달성할 잠재력을 지닌 것으로 나타났다.
• 이 연구는 이온 전류 변동성이 뚜렷한 포지션에서 DNA의 동적 상태에 대한 세부 정보를 담고 있음을 확인하였다.