Physical approaches to DNA sequencing and detection
随着测序技术的不断进步，基因组医学的前景正处于科学研究的前沿。然而，为了实现这一潜力，我们需要一种革命性的测序方法，用于对个体基因组进行成本效益和快速的询问。这种能力很可能是通过在单核苷酸水平上探测DNA的物理方法来提供的。这与目前通过化学延伸、电泳和光学检测来探测DNA链的长度差异和终止碱基的技术和仪器形成鲜明对比。在本次学术讨论会中，我们回顾了几种物理方法来DNA检测，有可能提供快速和低成本的测序。这些方法的中心折叠是纳米通道或纳米孔的概念，其允许DNA分子的空间限制。除了它们在医学和生物学中可能产生的影响外，这些方法还提供了理想的测试平台，用于研究纳米尺度下固体、液体和生物分子之间界面处相对未开发领域的开放性科学问题和挑战。我们强调这些方法和想法背后的物理学，批判性地描述它们的优点和缺点，并讨论未来在这一领域的研究机会。
2007-08-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Synthetic Hachimoji DNA Sequencing with Graphene Nanodevice
基于结合密度泛函理论和非平衡格林函数量子输运研究，我们证明了置于氧封端的锯齿形石墨烯纳米电极之间的Hachimoji合成核酸的横向电导的量子干涉效应。我们推测QI效应可以很好地保留在核碱基分子和碳基纳米电极之间的π-π偶联中。我们的研究表明，QI效应，如反共振或Fano共振，影响横向电导的变化取决于核碱基的构象。此外，观察到高达2-5个数量级的变化，在旋转后的所有核碱基的电导。的电流-电压特性的结果表明，在整个拟议的纳米间隙设备的电子隧穿电流与所施加的偏置电压的所有五个碱基的明显变化。不同的旋转角度保持了碱基在横向电导和隧穿电流方面的独特特征。这两个特征都可以用于精确的合成DNA测序装置中。
2022-03-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph
Functionalized nanopore-embedded electrodes for rapid DNA sequencing
原则上，确定患者的DNA序列可以揭示患特定疾病的风险增加[1，2]，并有助于设计“个性化药物”[3]。此外，大量个体的基因组[4]的统计研究和比较对于分析突变[5]和遗传性疾病至关重要，为预防医学铺平了道路[6]。然而，DNA测序目前仍然是一项非常耗时且非常昂贵的任务[4]，包括预处理步骤、使用Sanger方法的实际测序和以数据分析形式的后处理[7]。在这里，我们提出了一种新的方法，依赖于功能化的纳米孔嵌入电极，以实现明确的区别的四个核酸碱基在DNA测序过程中。这代表了对先前研究的设计的显著改进[8，9]，其不能可靠地区分DNA的所有四个碱基。我们研究的设置的传输特性，采用最先进的密度泛函理论与非平衡格林函数方法一起，导致电流响应不同的至少一个数量级的不同基地，从而可以提供一个更强大的读出的基础序列。因此，我们提出的设置的实施可能会导致一个可行的协议，快速DNA测序的重大后果，特别是基因组相关的研究和医疗保健的未来一般。
2007-08-29 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Transverse conductance of DNA nucleotides in a graphene nanogap from first principles
最近已经实现了在原子级薄的石墨烯中制造纳米孔，并且已经证明了DNA的移位。结合早期提出的将石墨烯纳米间隙用于DNA测序的目的，这种方法可以解决在电子核碱基检测中实现单碱基分辨率的技术问题。我们已经从理论上评估了石墨烯纳米间隙设置的全基因组测序的目的的性能，通过采用密度泛函理论和非平衡格林函数的方法来调查的横向电导性能的间隙内的核苷酸。特别是，我们确定了在有限的偏压下，由于核苷酸的方向和横向位置的变化的电隧穿电流的变化。虽然由此产生的隧道电流被发现波动超过几个数量级，四个DNA碱基之间的区别似乎是可能的，从而排名的方法有希望的快速全基因组测序应用。
2011-01-14 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.ins-det
DNA Sequencing via Quantum Mechanics and Machine Learning
个体人类基因组的快速测序是基因组医学的先决条件，在基因组医学中，疾病将通过先发制人的治疗来预防。已经提出了通过固态纳米孔中的单链DNA的量子力学隧穿用于快速DNA测序，但不幸的是，由于分子构象和溶剂的大波动，单独的隧穿电流不能区分四种核苷酸。在这里，我们提出了一种机器学习的方法，适用于隧道电流-电压（I-V）特性的四个核苷酸之间的有效区分。我们首先结合主成分分析（PCA）和模糊c-均值（FCM）聚类学习的“指纹”的电子态密度（DOS）的四个核苷酸，它可以来自I-V数据。然后，我们应用隐马尔可夫模型和维特比算法对DOS数据的时间序列进行排序（即，解决排序问题）。数值实验表明，PCA-FCM方法可以对未标记的DOS数据进行分类，准确率达到91%。此外，发现分类对于中等水平的噪声是鲁棒的，即，在信噪比为26 dB的情况下，保持了70%的精度。与单独的PCA相比，PCA-FCM-Viterbi方法在测序问题的准确性上提高了4倍。结合纳米技术的最新发展，这种机器学习方法可能为期待已久的快速，低成本基因组测序仪铺平道路。
2010-12-04 cs.CE physics.bio-ph q-bio.QM
First-principles vs. semi-empirical modeling of global and local electronic transport properties of graphene nanopore-based sensors for DNA sequencing
使用第一性原理量子输运模拟，基于非平衡格林函数形式主义结合密度泛函理论（NEGF+DFT），我们研究了总的和局部的电子电流的变化与锯齿形边缘（ZGNR）托管纳米孔的平面内的DNA核碱基插入到孔诱导。我们发现，在将核碱基置于小直径\mbox{$D=1.2$ nm}的纳米孔内的最可能位置（根据分子动力学轨迹）后，两端ZGNR +纳米孔器件的零偏压电导发生了相当大的变化。虽然这种效应随着纳米孔尺寸增加到\mbox{$D=1.7$ nm}而降低，但是ZGNR +纳米孔和ZGNR +纳米孔+核碱基系统中的电流之间的对比度可以通过施加小的偏压$V_b \lesssim 0.1$ V来增强。这在微观上解释为由于DNA核碱基诱导的ZGNR边缘周围的局部电流密度的空间分布的改变。我们使用NEGF结合自洽电荷密度泛函紧束缚（NEGF+SCC-DFTB）或自洽扩展Hückel（NEGF+SC-EH）半经验方法重复相同的分析。我们发现从NEGF+DFT获得的结果与从NEGF+SCC-DFTB或NEGF+SC-EH方法获得的结果之间的巨大差异在选择用于快速DNA测序的最佳纳米电子传感器的{ \em in silico}设计的适当计算算法时可能非常重要。
2014-08-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Improving sequencing by tunneling with multiplexing and cross-correlations
隧穿测序是下一代的方法，使用电子隧穿横向于单链DNA（ssDNA）骨架，而后者是通过一个狭窄的通道易位读取单碱基信息。最初的想法是考虑用一对电极来读出电流并区分碱基[1，2]。在这里，我们提出了一种改进的原始测序隧道法，其中$N$电极对串联沿合成纳米通道。当使用纵向场迫使ssDNA通过通道时，它经过每对电极足够长的时间以收集最小的$m$隧穿电流测量值，其中$m$由所需的测序误差水平确定。然后将每个核碱基的每个当前时间序列互相关在一起，从中可以区分DNA碱基。我们表明，使用随机抽样的数据从经典的分子动力学，测序误差确实是显着减少的电极对，$N$，增加的数量。与单对电极的测序能力相比，由于隧穿电流概率分布的近似对数正态性质，互相关的$N$电极对以指数方式更好。我们还使用Fenton-Wilkinson近似来分析描述用于区分DNA碱基的互相关的均值和方差。我们建议的方法是特别有用的，当测量带宽是有限的，允许一个较小的电极间隙停留时间，同时仍然有希望始终正确地识别DNA碱基。
2015-09-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Nanopore Sequencing of the phi X 174 genome
DNA的纳米孔测序是一种单分子技术，其可以以最少的样品制备和仪器实现长读取、低成本和高速。在这里，我们建立在纳米孔分辨率和DNA控制方面的最新进展来解释DNA通过孔MspA易位过程中观察到的离子电流水平的处理。由于大约四个核苷酸影响每个水平的离子电流，我们测量了对应于所有256个四核苷酸组合（四聚体）的离子电流。该四聚体图谱高度预测先前未测量的源自噬菌体phi X 174基因组的序列的离子电流水平。此外，我们显示了长度高达4，500个碱基的phi X 174的纳米孔测序读段，其可以明确地与phi X 174参考基因组对齐，并证明了关于杂交基因组组装和多态性检测的概念验证实用性。所有方法和数据都充分提供。
2014-06-18 physics.bio-ph q-bio.GN
DNA Translocation through Graphene Nanopores
纳米孔-可以传输离子和分子的纳米尺寸的孔-是用于基因组筛选，特别是DNA测序的非常有前途的装置。然而，固态孔和生物孔都有缺点，即构成孔的通道很长，即DNA分子中两个碱基之间距离的10-100倍（对于单链DNA为0.5nm）。在这里，我们证明了有可能实现和使用石墨烯单层中制造的纳米孔用于单分子DNA易位。通过将石墨烯薄片放置在氮化硅膜中的微米尺寸孔上并使用电子束在石墨烯中钻出纳米尺寸孔来获得孔。当单个DNA分子通过孔移位时，在通过纳米孔的离子电流中观察到特征性的暂时电导变化，为未来的基因组筛选奠定了基础。
2010-05-26 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Super-sensitive Molecule-hugging Graphene Nanopores
纵向分辨率和横向灵敏度是决定性的特征，其决定了纳米孔传感器对DNA链以及其他重要聚合物测序的适用性。先前在单原子厚的石墨烯纳米孔中对DNA诱导的离子电流阻断的建模已经显示这些纳米孔具有足够的纵向分辨率以区分沿着DNA分子长度的各个核碱基。在这里，我们实验专注于对DNA直径微小变化的敏感性，这些变化可以用石墨烯纳米孔来识别。我们表明，当纳米孔被定制为具有接近感兴趣的聚合物的直径时，获得了非常大的灵敏度（0.5 nA/A）。我们的结果已经获得了双链DNA（dsDNA）。较小的石墨烯纳米孔可以调整到单链DNA（ssDNA）的直径，用于测序，直到最近才被证明。我们的研究结果表明，基于这种孔的纳米孔传感器将提供优异的分辨率和碱基识别，并且将成为最近证明具有测序能力的蛋白质纳米孔的强大竞争对手。
2012-05-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.ins-det
Transverse Electronic Transport through DNA Nucleotides with Functionalized Graphene Electrodes
石墨烯纳米间隙和纳米孔显示出用于电DNA测序目的的潜力，特别是因为单碱基分辨率似乎容易实现。在这里，我们从第一原理评估了具有官能化石墨烯边缘的纳米间隙设置的优点。为此，我们采用密度泛函理论和非平衡格林函数方法来研究位于相对的功能化石墨烯电极之间的DNA中存在的四种核苷酸的横向电导性质。特别是，我们确定了电隧穿电流的变化作为所施加的偏压和相关的差分电导的函数在一个电压，这似乎适合于区分四个核苷酸。有趣的是，我们观察到一个核苷酸的负微分电阻效应。
2012-02-14 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
The Fluctuations of Blocked Ionic Current Reveal the Instantaneous Statuses of DNA in Graphene Nanopore
从被阻断的离子电流中提取DNA序列信息是基于离子电流的纳米孔测序方法的关键步骤。最薄的石墨烯纳米孔仅包含一层碳原子，可能具有超高的DNA测序灵敏度。然而，迄今为止，被阻断的离子电流中所包含的DNA的动力学易位信息还没有被很好地理解。本文采用分子动力学模拟对基于离子电流的石墨烯纳米孔DNA传感方法的灵敏度进行了评估。通过滤除分子热运动引起的离子电流噪声，我们发现去噪后的离子电流波动可以揭示石墨烯纳米孔中DNA的瞬时构象变化。然而，也观察到由DNA碱基对与纳米孔的接近（在1.5nm内）引起的离子电流的阻断。虽然石墨烯纳米孔的预期单碱基分辨率还有待进一步研究，但我们的研究结果表明，基于离子电流的石墨烯纳米孔传感方法对DNA的瞬时易位状态具有高灵敏度。
2013-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Sub-20 nm Nanopores Sculptured by a Single Nanosecond Laser Pulse
基于单分子的第三代DNA测序技术已被大量探索，其中纳米孔测序被认为是最有希望实现1,000美元基因组计划目标的个体化医学之一。固态纳米孔被认为是蛋白质纳米孔的补充，在过去的十年中受到了广泛的研究。然而，主流的固态纳米孔制备仍然依赖于聚焦离子束或电子束，这是昂贵且耗时的。在这里，我们展示了用单个纳秒激光脉冲制造低至19 nm的纳米孔。激光钻孔过程是基于二维轴对称瞬态热传递模型来理解的，该模型预测了与激光能量密度相关的孔径分布和形状，与电子显微镜和断层扫描分析非常一致。钻孔的纳米孔装置（26 nm）表现出足够的灵敏度来检测单个DNA分子易位并区分未折叠或折叠事件。亚10 nm纳米孔可以通过原子层沉积在氧化铝沉积的薄层上容易地实现，这进一步显著地改善了DNA易位的信噪比。我们的工作提供了一个解决方案，快速，低成本和有效的大规模制造固态纳米孔设备的第三代纳米孔测序。
2018-06-21 physics.bio-ph
Controlling DNA Tug-of-War in a Dual Nanopore Device
需要用于降低和直接控制DNA通过纳米孔的速度的方法来增强用于直接链测序和序列特异性特征的检测/映射的感测性能。我们创造了一种降低和控制DNA速度的方法，该方法使用两个独立可控的纳米孔，这些纳米孔通过主动控制逻辑操作。孔定位得足够接近以允许单个DNA被两个孔共捕获。一旦共捕获发生，控制逻辑在孔处打开恒定的竞争电压，导致“拔河”，由此分子被相反的力从两端拉。这些力对共捕获的分子施加构象和速度控制，去除折叠并降低易位率。当电压被调整，使得施加到分子两端的电泳力达到平衡时，拔河状态的寿命纯粹受到DNA在孔之间的扩散滑动的限制。我们能够产生一个拔河状态的76.8%的分子被捕获的平均孔易位时间相对于平均时间为单孔易位的最大两个数量级的增加。此外，我们量化的移位慢下来作为电压调谐的函数，并表明慢下来是很好地描述了一维子扩散过程的第一次通过分析。每个纳米孔的离子电流提供了一个独立的传感器，其同步测量同一分子的不同区域，从而能够顺序检测物理标记，例如单链亲和素标签。随着设备和控制逻辑的进步，未来的双孔应用包括基因组作图和无酶测序。
2018-11-27 physics.bio-ph
Ratcheting charged polymers through symmetric nanopores using pulsed fields: Designing a low pass filter for concentrating DNA
我们提出了一个新的概念，结合了纳米流体棘轮，纳米孔易位和脉冲场的轮廓长度的DNA分子的分离。使用朗之万动力学模拟，我们表明，它是可能的设计脉冲场序列棘轮捕获的半柔性分子在这样一种方式，只有短链成功易位，有效地转换成一个低通分子过滤器的纳米孔过程。我们还表明，非对称脉冲可以显着提高器件的效率。该过程本身可以用许多孔并行进行，并且应该可以将其直接整合到纳米孔测序设备中，从而增加其潜在的实用性。
2023-01-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
