高分子经纳米管道输运和检测的模拟研究

发布时间：2019-09-24 01:32

【摘要】：生物高分子(DNA,蛋白质等)通过纳米孔穿过细胞膜的过程,是生物体内一个很重要也很常见的过程。在过去的二十年里,由于纳米技术的快速发展,人们已经可以通过单分子实验技术观测到这一过程。另一方面,人们也发现,利用纳米孔也可以实现高分子的检测和分离,比如说,利用纳米孔有可能对基因进行测序。进入21世纪,对基因组测序的需求越来越强烈,而传统的Sanger测序方法花费高、速度慢,自2004年美国国立卫生研究院开始鼓励研发下一代的测序技术,而纳米孔测序具有无须标记、迅速、价格便宜等优点,因此成了新一代测序技术的有力候选者。虽然有关高分子穿孔的实验取得了很大的进步,但是这个过程中的某些机制还不是很清楚,这也促进了理论和模拟对这一现象进行更深层次的研究。利用纳米孔进行DNA测序等检测实验中,一般是通过在膜两端施加电场驱动带电的DNA生物分子进行跨膜输运。这实际上是一个非常复杂的过程,总的来说,这一过程会受到五个因素的影响,(1)外加的电场强度,(2)高分子链本身的动力学,(3)纳米孔的性质,(4)高分子链和纳米孔的相互作用,(5)溶液的性质。最近的实验发现,当使用a-haemolysin蛋白(a-HL)作为纳米孔时,由于孔两侧pH浓度梯度的不同会改变a-HL蛋白的质子化情况,进而改变了DNA与纳米孔的相互作用。我们进而猜想,pH浓度梯度会导致高分子与纳米孔之间产生梯度的相互作用,我们把这种相互作用简化为E=E0+kx,其中E0是管道入口处高分子与纳米孔的相互作用强度,k是能量梯度,x是高分子单体在管道中的位置。通过Fokker-Planck方程计算高分子穿过纳米孔的首次穿越时间,我们发现,总存在一个最适合的能量梯度kc使高分子的首次穿越时间最小,这说明我们可以通过调节高分子与纳米孔之间的相互作用来调节高分子的首次穿越时间。为了进一步验证上述基于简单假设所作出的研究结果,我们还进行了非格点的动力学Monte Carlo模拟来检验我们的结果。我们的理论工作中,采用Fokker-Planck计算的首次穿越时间考虑的是反射／吸附边界条件,这个边界条件忽略了高分子在输运过程中会有退出纳米孔的情况。因此在模拟中我们计算了两个时间,一个是首次穿越时间τFP,另一个是考虑了高分子可以退出纳米孔的情况下的移位时间τt。模拟的结果与理论计算的结果一致,同样也发现存在一个最适合的能量梯度kc使移位时间最小。除了如a-HL之类的生物纳米孔,碳纳米管(CNT)等无机纳米孔的研究也引起了人们的广泛关注。最近实验发现CNT可以实现对DNA的高灵敏度检测：比如它可以检测出单个修饰碱基,而且相对尺寸较大的碱基反而会引起电流信号的显著增强。为了更好的理解CNT高灵敏度检测的机制,我们运用全原子分子动力学的方法,模拟研究了在施加偏压的情况下,单链DNA在碳纳米管中的构象以及相应离子电流对于Bzim-modified 5hmC的响应。我们的结果表明,虽然Bzim-modified 5hmC的尺寸要比一般的碱基大,但是它的存在可以显著增大穿过碳纳米管的离子电流,这个结果与之前的实验结果一致。这一反常现象与DNA在碳纳米管内壁的吸附有关。存在Bzim-modified 5hmC时,由于更强的π-π作用,使得DNA更倾向于吸附在碳纳米管内壁,从而减弱了DNA对离子电流的位阻效应,使离子电流增大。我们的结果表明,DNA与碳管内壁微小的相互作用的变化,就有可能影响整个DNA在碳管内部的分布,这个性质有助于我们更好地提高纳米孔检测技术的灵敏度。
【图文】：

逑差。逡逑Ｓｕｎｇ与Ｍ山ｈｕｋｕｍａｒ通过不同方法得到育分子的自由能形式类似（图１．２ｃ）。逡逑由自由能曲线可Ｗ看到，当高分子从自由空间进入纳米孔时，，由于高分子的自由逡逑度受限，构象烦降低，从而自由能会升高（曲线Ｂ），当电场由Ｃｋ空间指逡逑空间时，由于电势的降低，自由能化会降低，高分子更易跑出纳米孔（曲线Ｃ），逡逑而当电场方向相反时，电势的升高同祥也会抬高自由能势垒，高分子很难通过热逡逑运动翻过势垒，逃出小孔（曲线Ａ）。逡逑脚逦（ｂ）逦似逡逑

本文编号：2540583