《基於超薄二維材料納米孔DNA測序的理論設計與研究》是依託濟南大學，由劉海英擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於超薄二維材料納米孔DNA測序的理論設計與研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉海英
- 依託單位：濟南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
由於在遺傳學各個領域都有著重要意義，DNA測序備受關注。近年來研究者認為納米孔測序技術很有前景，有望實現低成本、快速測序。本項目擬基於超薄二維納米材料，設計一套固態納米孔測序方案。該類材料的單層厚度，與DNA雙螺旋中鹼基的層間距相當，利於實現單分子檢測。利用拉伸分子動力學(SMD)，模擬處於電解質溶液中的DNA在合適電壓驅動下通過納米孔的行為。探索納米孔的尺寸、形狀和膜材料對DNA移位的影響。從SMD軌跡中，在原子水平上抽取DNA穿過納米孔時的準確位型。將帶孔的二維材料與置於其中的鹼基構建分子結。採用密度泛函並結合非平衡格林函式的方法進行電荷輸運計算。利用沿納米條帶的橫向電流來識別DNA分子。揭示DNA分子與納米孔的相互作用機制。該工作將為設計DNA測序感測器提供有用信息。
結題摘要
二維材料納米孔測序是最具前景的單分子測序方式之一。相比於傳統測序方法，其具有測速更快、準確率更高、成本更低的優勢。課題組採用分子動力學和非平衡態格林函式結合密度泛函的方法，對二維材料納米孔DNA測序進行了詳細地理論研究。各項研究任務基本按照計畫得以執行。已經完成的主要研究內容如下：（1）尋找到了三種適合DNA測序的新型二維材料，構建了納米孔模型。我們在早期選擇石墨烯做納米孔材料的基礎上，又選擇了二硫化鉬、三磷化鍺和矽烯作為測序的基礎材料，對這些材料的結構和電子性質進行了深入研究。（2）掌握了構建二維材料的拓撲檔案和力場檔案的方法，解決了項目申請時提出的關鍵技術問題。在外加電場作用下，用分子動力學模擬了DNA鏈穿過二維材料納米孔的遷移過程，已經掌握了分析穿孔動力學數據的基本方法。（3）利用實驗上可測的縱向離子電流，進行了DNA測序和甲基化的識別。在詳細研究DNA鹼基分子各種甲基化形式的基礎上，採用分子動力學方法，通過二硫化鉬納米孔，利用垂直於二維材料的離子電流數據，初步做到了識別DNA甲基化重要形式5mC鹼基的目的。相對於只對天然DNA測序來說，能夠進行甲基化的探測也是該項目實施的一大創新點。（4）利用實驗上可測的橫向電流，進行了DNA的測序。利用密度泛函並結合非平衡態格林函式的方法，通過三磷化鍺納米孔，利用沿膜材料方向的橫向電荷輸運性質，選擇胞嘧啶作為探針分子，對天然DNA進行了單鹼基的識別。（5）課題組還在DNA的氨基修飾和二維材料的儲氫方面進行了深入研究，後續我們還會開展異質結納米孔和利用二維材料與DNA的吸附進行測序方面的研究。 在項目執行期內，課題組共發表論文3篇，均被SCI收錄。課程組成員參加了5場國內大型學術會議，發表了3篇會議摘要論文，並開展了國際學術交流，到韓國成均館大學進行了旨在推進分子動力學研究進程的學術訪問。
