[论文解读] 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 18

一句话总结

本研究利用分子动力学模拟表明，通过石墨烯纳米孔的去噪离子电流波动可揭示DNA跨膜过程中的实时构象变化。研究结果表明，离子电流波动对DNA碱基对间距（1.5 nm以内）敏感，表明尽管存在未解决的噪声挑战，石墨烯基纳米孔测序仍具有实现单碱基分辨率的高潜力。

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.

研究动机与目标

• 评估基于离子电流的石墨烯纳米孔DNA传感技术对检测DNA瞬时跨膜状态的敏感性。
• 研究分子热噪声如何影响石墨烯纳米孔中的离子电流信号。
• 确定离子电流波动是否能够揭示跨膜过程中的瞬态DNA构象。
• 评估石墨烯纳米孔在实现DNA测序单碱基分辨率方面的潜力。

提出的方法

• 采用分子动力学模拟模拟DNA通过单层石墨烯纳米孔的跨膜过程。
• 在生理条件下模拟离子电流，以捕捉实时动力学行为。
• 应用去噪技术，从离子电流信号中滤除热运动引起的噪声。
• 分析去噪后的电流波动，以关联其与DNA瞬时构象状态的关系。
• 量化DNA碱基对与纳米孔的距离（1.5 nm以内），以评估传感灵敏度。
• 评估离子电流阻断与DNA碱基对位置之间的关系，以评估测序潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯纳米孔中的离子电流波动能否揭示跨膜DNA的实时构象动力学？
• RQ2 热运动如何影响石墨烯纳米孔中离子电流信号的可检测性？
• RQ3 DNA碱基对与纳米孔的接近程度（1.5 nm以内）在多大程度上影响离子电流阻断和信号分辨率？
• RQ4 去噪后的离子电流波动能否实现石墨烯纳米孔测序的单碱基分辨率？
• RQ5 石墨烯纳米孔对跨膜过程中瞬态DNA构型的敏感性如何？

主要发现

• 去噪后的离子电流波动揭示了石墨烯纳米孔中DNA的瞬时构象变化。
• 距离纳米孔1.5 nm以内的DNA碱基对会引起可测量的离子电流阻断。
• 离子电流信号对跨膜过程中瞬态DNA构型表现出高度敏感性。
• 热噪声显著掩盖了原始离子电流信号，因此必须进行去噪处理才能进行有意义的分析。
• 结果表明，通过进一步优化，石墨烯纳米孔具有实现单碱基分辨率的潜力。
• 本研究证实，离子电流波动携带了关于DNA在孔内动态状态的详细信息。