Electrokinetic-flow-induced viscous drag on a tethered DNA inside a nanopore
最近的工作表明，孔隙区域内的粘性效应引起的阻力可以解释[Ghosal，S.物理学修订版E。第71卷，051904（2006）和Phys.Rev.Lett. vol.98，238104（2007）]在涉及电压驱动的DNA通过纳米孔的易位的某些实验中观察到易位时间。孔内的电动流动和伴随的粘性效应在解释DNA固定在纳米孔内的实验中也起着至关重要的作用[U. Keyser等人，Nature Physics vol.2，473（2006）]。在本文中的粘性力明确计算的纳米孔的圆柱形几何形状。研究发现，由于粘性阻力和曼宁凝聚引起的电荷减少所引起的系绳力的减小是相似的。这一结果对解释DNA束缚的实验数据具有重要意义。
2012-03-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Promoting single-file DNA translocations through nanopores using electroosmotic flow
双链DNA在沿着其长度的某处被捕获时，以线性、单列方式或以折叠的发夹构象移位通过足够大的纳米孔。我们表明，DNA的折叠状态可以通过改变测量缓冲液的电解质浓度，pH值和PEG含量来控制。在1 M LiCl或0.35 M KCl中性pH下，单列易位占总数的90%以上。我们属性的影响，从孔在低离子强度的电渗流的发病。我们的假设的关键作用的流量是支持的首选方向进入的一条链已被折叠成一个多螺旋结构的一端。对DNA折叠的控制对于纳米孔传感方法是至关重要的，该方法使用沿着DNA链的修饰和相关的次级电流降来编码信息。
2018-03-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Electrophoresis of a DNA Coil Near a Nanopore
受纳米孔附近DNA电泳的启发，我们考虑了“细长射流”周围的流场，细长射流是一种将动量注入液体的细长源。该解定性地描述了长刚性聚合物周围的电渗流，其中由于电流体动力学耦合，溶剂从电场接收动量。基于细长射流溶液的定性行为，我们开发了一种粗粒度的方案，该方案再现了关于长刚性聚合物和聚合物线圈在均匀场中的电泳行为的已知理论结果，然后我们利用该方案分析了聚合物线圈在纳米孔附近的非均匀场中的电泳。
2013-06-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Electrophoretic Capture of a DNA Chain into a Nanopore
基于我们提出的孔附近DNA电泳的公式[P.Rowghanian和A. Y. Grosberg，Phys.Rev.E87，042723（2013）]，我们将电泳DNA捕获到纳米孔中作为粒子吸收到放置在能量屏障顶部的汇的稳态过程。我们的模型将之前观察到的扩散限制和势垒限制机制再现为粒子吸收过程的两个不同限制并匹配数据，表明对于非常大的DNA分子，捕获率随着DNA长度的增长比之前的模型更慢，激发了更多超出当前电场和DNA长度范围的实验。在中等强度的弱电场下，我们的模型预测了不同的效果，指出捕获率的DNA长度依赖性首先随着电场的减小而消失，并最终逆转为$N$的下降趋势。
2013-06-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
On the distribution of DNA translocation times in solid-state nanopores: an analysis using Schrodinger's first-passage-time theory
本文对最近提出的一维线性DNA易位有偏扩散模型的解[1]作了修正，并对[1]中的数据作了新的分析。我们最近指出[2]，这个一维线性易位模型等价于Schrodinger [3]所考虑的电子电荷的Enrenhaft-Millikan测量[4，5]。这里我们将薛定谔的首次通过时间分布公式应用于[1]中的数据集。研究发现，薛定谔公式可以用来描述固态纳米孔中DNA移位的时间分布。这些拟合产生两个有用的参数：DNA移位的漂移速度和纳米孔内DNA的扩散常数。结果表明，两种制度的DNA易位：（I）在低电压下，有明显的偏离Smoluchowski的线性电泳定律[6]，我们归因于熵势垒效应;（II）在高电压下，易位速度是一个线性函数的施加电场。在区域II中，表观扩散常数表现出对所施加的电场的二次依赖性，表明可能由于纳米孔通道中的电渗流场而引起的泰勒分散效应的机制。该分析产生了纳米孔内DNA片段的无分散扩散常数值，其与斯托克斯-爱因斯坦理论定量一致。讨论了薛定谔公式在DNA测序中的应用。
2013-08-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Nonequilibrium thermodynamics of DNA nanopore unzipping
使用理论和模拟，我们进行了第一个系统的表征DNA解压缩通过纳米孔易位。从部分解压缩态出发，我们发现了三种依赖于所施加的力f的动力学区域：（i）异质DNA收缩和重新压缩（f < 17pN），（ii）正常（17pN < f < 60pN）和（iii）异常（f > 60pN）漂移扩散行为。我们表明，正常的漂移扩散制度可以有效地建模为一个一维的随机过程中的倾斜周期性电位。我们使用随机过程的理论来恢复潜在的非平衡解压缩轨迹，并表明它对应于单碱基对解压缩的自由能景观。将这种一般方法应用于其他具有周期性势的单分子系统，应该会从非平衡轨迹中产生详细的自由能景观。
2022-12-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Fast DNA translocation through a solid-state nanopore
我们报告易位实验双链DNA通过氧化硅纳米孔。含有DNA片段的样品具有7个不同的长度之间的2000至96000碱基对已通过一个10 nm的孔被驱动。我们发现一个幂律缩放的易位时间与长度，指数为1.26 $\pm$ 0.07。该行为与用蛋白质孔进行的类似实验中观察到的线性行为在性质上不同。我们解决了所观察到的非线性缩放的理论模型，描述了实验中的孔外的聚合物的部分上的流体动力学阻力是抵消驱动的主导力量。我们表明，这是在我们的实验中的情况下，并推导出幂律标度与指数为1.18，与我们的数据非常吻合。
2004-04-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Modulation of current through a nanopore induced by a charged globule: implications for DNA-docking
DNA通过纳米孔的过程可以有效地分解为两个不同的阶段，对接和实际易位。在实验中，每个阶段的特点是一个独特的电流签名，允许歧视的两个事件。然而，在低电压下，失去了两相的明显区别。通过使用数值模拟，我们澄清了与对接事件相关的电流签名如何取决于所施加的电压。模拟结果表明，在低电压下，由于载流子的富集，DNA球提高了孔电导。在高电压下，小球从孔区域排出大量的载流子，从而降低总电导。结果提供了一个新的解释电导的实验数据，并显示如何对接干扰易位信号，测序应用的潜在利益。
2015-07-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Lateral trapping of DNA inside a voltage gated nanopore
当穿孔膜包含嵌入式电极时，解决了短DNA片段通过纳米孔的移位。精确的数值解耦合泊松，能斯特-普朗克，斯托克斯方程的一个现实的，完全三维的设置，以及分析近似的简化模型。通过向膜电极施加合适的电压，可以迫使DNA优选沿着孔轴或在离孔壁很小但有限的距离处穿过孔。
2017-06-28 cond-mat.soft 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
The Statistics of DNA Capture by a Solid-State Nanopore
固态纳米孔可以捕获DNA分子并将其以折叠构型拉过。所得到的离子电流信号指示沿着其长度的DNA被捕获的位置。使用8 nm宽的纳米孔的统计研究揭示了有利于捕获分子末端附近的强烈偏向。一个理论模型表明，偏置是一个后果的构型熵，而不是一个搜索的聚合物的一个积极有利的配置。我们还量化的波动和长度依赖性的同时易位聚合物片段的速度从我们的研究折叠的DNA配置。
2012-09-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft 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
Sustained unidirectional rotation of a self-organized DNA rotor on a nanopore
流体驱动的旋转马达驱动人类社会中的功能过程，如风车和水轮。虽然这种旋转马达的例子在细胞生物学中也很突出，但它们在纳米级的合成结构迄今为止仍然难以捉摸。在这里，我们展示了流动驱动的旋转运动的自组织DNA纳米结构，停靠在一个薄的固态膜中的纳米孔。弹性DNA束在电泳对接到固态纳米孔上时自组装成手性构象，随后显示高达20转/秒的持续单向旋转运动。转子利用来自纳米级水和离子流的能量，所述纳米级水和离子流由纳米孔中的静电（电）化学电势梯度产生，所述静电化学电势梯度通过盐梯度或施加的电压建立。这些人造纳米发动机在生理条件下自组织和自主运行，为在纳米级界面上构建能量转换发动机铺平了新的方向。
2022-06-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
DNA translocation through nanopores with salt gradients: The role of osmotic flow
双链DNA在纳米孔中转位的最新实验[M. Wanunu \textit{et al.} Nature Nanotech. { \bf 5}，160（2010）]揭示了DNA捕获速率可受到跨孔的盐梯度的显著影响。我们表明，渗透流与电泳效应相结合可以定量解释捕获率对盐梯度依赖性的实验数据。
2011-07-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech 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
DNA Barcodes using a Cylindrical Nanopore
我们报告了一种准确的方法来确定DNA条形码从停留时间测量的蛋白质标签（条形码）沿DNA骨架使用布朗动力学模拟的模型DNA和使用递归的理论方案，提高了测量几乎100%的准确度。沿着DNA主链的较重的蛋白质标签在链中引入了大的速度变化，这可以使用非平衡张力传播理论的思想来理解。然而，从最初的粗略表征的速度到“快”（核苷酸）和“慢”（蛋白质标签）域，我们引入了一个物理动机的插值方案，使我们能够确定条码的速度，而准确。我们对DNA通过圆柱形纳米孔的运动的理论分析开辟了其实验实现的可能性，并将其应用于用于条形码的多纳米孔设备。
2021-02-06 cond-mat.soft
DNA in nanopore-counterion condensation and coion depletion
分子动力学模拟被用来研究单价离子在纳米孔中的平衡分布，所述纳米孔连接由膜分隔的两个水储存器，对于空孔和具有单链DNA分子的纳米孔都是如此。在DNA的存在下，抗衡离子凝聚在拉伸的大分子上，有效地中和它，并观察到几乎完全耗尽孔中的共离子。我们的研究结果对DNA易位通过α-溶血素纳米孔的实验的影响进行了讨论。
2004-12-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.SC
DNA Dynamics in Dual Nanopore Tug-of-War
本文利用166 kbp T4-DNA模型系统研究双纳米孔反馈偏压下的DNA拔河动力学，揭示长分子不对称捕获及自由端逃逸机制。
2025-08-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
Steric modulation of ionic currents in DNA translocation through nanopores
伴随DNA移位的离子电流强烈地依赖于电解质溶液的摩尔浓度以及纳米孔的形状和表面电荷。通过泊松-能斯特-普朗克方程，它示出了如何电导调制的DNA入侵者的存在下，作为竞争的静电和约束因素的结果。的理论结果定量再现的实验结果，并总结在电导图，允许区分区域的降低的电导率从区域的增强的电导率作为摩尔浓度和孔尺寸的函数。
2015-07-15 cond-mat.soft
Modeling the Current Modulation of Bundled DNA Structures in Nanopores
我们研究了盐依赖的电流调制成束的DNA纳米结构在纳米孔。为此，我们开发了四个模拟模型的2x2折纸结构的细节水平不断提高：从平均场水平的DNA结构的全原子表示。我们观察到一个一致的孔隙电导率作为盐浓度的函数为所有四个模型。然而，我们的数据比较最近的实验研究类似的系统显示显着的偏差。我们讨论了可能的原因的差异，并提出扩展我们的模型，为今后的调查。
2020-11-25 cond-mat.soft physics.comp-ph
A DNA turbine powered by a transmembrane potential across a nanopore
本研究设计了纳米级DNA折纸涡轮机，利用跨膜电化学电位驱动持续单向旋转，实现了生理条件下电化学能向机械功的自主转换。
2023-10-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
DNA nucleotide-specific modulation of μA transverse edge currents through a metallic graphene nanoribbon with a nanopore
我们提出了用于DNA测序的双端装置，其由具有锯齿形边缘的金属石墨烯纳米载体（ZGNR）和在其内部的纳米孔组成，DNA分子通过该纳米孔移位。使用非平衡格林函数结合密度泛函理论，我们证明了插入到纳米孔中的四个DNA核苷酸中的每一个，其边缘碳原子被氢或氮钝化，将导致器件电导的独特变化。不像其他最近的生物传感器基于通过DNA核苷酸的横向电子传输，其利用小的（pA的数量级）隧道电流穿过纳米间隙或纳米孔，产生差的信噪比，我们的设备概念依赖于这样的事实，即在ZGNRs中，局部电流密度在边缘周围达到峰值，使得远离边缘钻纳米孔不会减少电导。将DNA核苷酸插入纳米孔中会影响周围区域的电荷密度，从而调制边缘传导电流，其幅度在偏置电压约0.1 V时为μA量级。所提出的生物传感器不限于ZGNRs，并且可以用支持横向边缘电流的其他纳米线来实现，例如手性GNRs或由二维拓扑绝缘体制成的导线。
2011-08-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Sequence dependence of DNA translocation through a nanopore
我们调查的DNA易位通过纳米孔使用二维Langevin动力学模拟的动力学，侧重于易位动力学的依赖于DNA序列的细节。在这项工作中研究的DNA分子是建立从两种类型的碱基$A$和$C$，这已被证明有不同的相互作用与孔。我们研究了具有不同$n$值的重复块$A_nC_n$的DNA，发现易位时间强烈地依赖于{ \em块长度} $2n$以及{ \em取向}哪个碱基首先进入孔。因此，我们证明了通过纳米孔测量DNA的移位动力学可以产生关于其结构的详细信息。我们还发现，嵌段序列的周期性包含在单个核苷酸在孔内的停留时间的周期性中。
2007-12-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
How capture affects polymer translocation in a solitary nanopore
具有高保真度的DNA捕获是纳米孔移位的重要部分。我们报告了几个重要方面的捕获过程和随后的易位的模型DNA聚合物通过固态纳米孔中存在的扩展电场使用布朗动力学模拟，使我们能够记录统计的构象在每个阶段的易位过程。通过从不同的等电位释放平衡的DNA，我们观察到捕获时间分布依赖于初始起始点，并遵循泊松过程。场梯度在其朝向纳米孔的途中延长DNA，并且即使在多次失败的穿线尝试之后也有利于成功的移位。即使在极其狭窄的孔的限制下，完全柔性的链也具有有限的发夹环捕获概率，而对于较硬的链，该概率降低并促进单列移位。我们的计算机模拟研究识别并区分了由于单个文件移位引起的平均首次通过时间的特征分布和由于不同类型的折叠移位引起的平均首次通过时间的特征分布，并为解释实验观察到的折叠提供了直接证据[M. Gershow等人，国家纳米技术2，775（2007）和M. Mihovilovic等人，Phys. Rev. Linguistics. 110，028102（2013）]中的纳米孔中。最后，我们展示了一个新的发现，在DNA的$5^{\prime}$末端连接的带电标签提高了多次扫描速率以及单向易位（$5^{\prime} \rightarrow 3^{\prime}$）的概率，这将有利于基因组条形码化和测序实验。
2022-03-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Theory of DNA translocation through narrow ion channels and nanopores with charged walls
研究了单链DNA通过带正电荷壁的基因工程$α$ -溶血素通道的易位。据预测，这种通道的转运特性与中性野生型$α$ -溶血素通道有显著不同。我们假设壁电荷补偿了驻留在通道中的DNA片段的裸电荷$q_{b}$的部分$x$。我们的预测如下：（i）在低浓度的盐，阻断离子电流与$x$减少。(ii)DNA片段的有效电荷$q$在$x = 0$（中性通道）处非常小，其与$x$一起生长，在$x=1$处达到$q_{b}$。(iii)通道捕获DNA的速率随$x$呈指数增长。我们的理论也适用于双链DNA在具有带正电荷的壁的狭窄固态纳米孔中的移位。
2008-06-20 cond-mat.soft q-bio.SC
A Numerical Investigation of Analyte Size Effects in Nanopore Sensing Systems
我们通过数值求解理想模型的电动平均场方程来研究DNA纳米孔易位设置中的离子电流调制。具体而言，我们研究的离子电流的依赖性上的相对长度的易位分子。我们的模拟表明，在低盐浓度下，DNA分子的离子电流比孔短得多。这些效应可以归因于离子云沿着DNA的极化，其导致相反的电偶极子场。我们的研究结果为DNA发光的无限孔模型和各种大小的DNA复合物的实验数据之间观察到的差异。
2021-07-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Unzipping Kinetics of Double-Stranded DNA in a Nanopore
我们研究了双链DNA单分子的解链动力学，通过将其两条链中的一条拉过狭窄的蛋白质孔。PCR分析第一次直接证明了DNA在这样的系统中解压缩。解压缩每个分子的时间是从DNA穿越的离子电流特征推断出来的。在各种实验条件下解链时间的分布符合一个简单的动力学模型。使用该模型，我们估计解压缩的焓垒和孔中核苷酸的有效电荷，这比以前假设的要小得多。
2003-05-02 cond-mat.soft q-bio
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
Identification of single nucleotides in MoS2 nanopores
超薄膜由于其前所未有的DNA纳米孔测序的空间分辨率而受到广泛关注。然而，DNA分子穿过这种膜的高易位速度（3000-50000 nt/ms）限制了它们的可用性。为此，我们引入了一种基于室温离子液体（RTILs）的粘度梯度系统来控制DNA易位的动力学，通过在原子级薄的MoS 2膜中制造的纳米尺寸的孔。这使我们能够第一次在统计学上识别所有四种具有固态纳米孔的核苷酸。根据在原子级薄的MoS 2纳米孔的窄孔中暂时驻留期间记录的电流特征来鉴定核苷酸。在这种利用RTIL高粘度的新结构中，我们证明了单核苷酸易位速度是DNA测序的最佳速度（1-50 nt/ms），同时保持信噪比（SNR）高于10。我们的发现为未来使用固态纳米孔进行低成本和快速DNA测序铺平了道路。
2015-05-07 cond-mat.soft
DNA Barcodes using a Double Nanopore System
双纳米孔系统确定DNA条形码的潜力已经在实验中得到证实。通过对一个粗粒度的模型DNA进行布朗动力学模拟，蛋白质标签（条形码）在已知的位置沿链骨架，我们表明，由于标签之间的链段的速度变化很大，这是不可避免的低估/高估的遗传长度从实验电流封锁和飞行时间数据。我们表明，它是沿链的骨干，支配整个链的运动的张力传播，是关键的元素来解释的不均匀性和不同的速度的标签和DNA单体易位，引入错误的测量蛋白质标签之间的长度段。使用模拟数据，我们进一步证明，重要的是要考虑整个链的动态，并建议方法，以准确地破译条形码。我们介绍和验证的插值方案，使用模拟数据的标签分离的广泛分布，并建议如何实施该计划的实验。
2021-02-09 cond-mat.soft
Single Stranded DNA Translocation Through a Fluctuating Nanopore
研究了单链DNA（ssDNA）在两种构象之间波动的孔道中的易位，采用耦合主方程（ME）。计算易位过程的第一通过时间（FPT）的概率密度函数（PDF），根据系统参数显示三峰、双峰或单峰行为。推导出了易位过程的平均首次通过时间（MFPT）的解析表达式，并提供了易位过程的广泛表征。
2005-01-15 cond-mat.soft q-bio.SC
Dynamics of DNA translocation through an attractive nanopore
我们调查的动力学DNA易位通过纳米孔驱动的外力使用Langevin动力学模拟在两个维度（2D）研究如何易位动力学依赖于DNA序列的细节。我们考虑由两个碱基$A$和$C$构建的DNA的粗粒度模型，其具有不同的碱基-孔相互作用，{ \textit例如}，孔与孔内的基底$A$（$C$）之间的强（弱）吸引力。通过对含有重复单元$A_mC_n$的异源DNA的一系列研究，我们发现易位时间随碱基$C$的体积分数$f_C$呈指数下降。%（$ε_{pC} < ε_{pA}$）。对于具有$f_C \le 0.5$的较长$A$序列，易位时间强烈地取决于DNA的取向，即哪个碱基首先进入孔。我们的研究清楚地表明，对于具有重复单元$A_mC_n$的一定长度$N$的DNA，由单个碱基的等待时间和它们的周期性所表现出的模式可以明确地分别确定$m$、$n$和$N$的值。因此，这一现象的前瞻性实验实现可能会导致快速和有效的序列检测技术。
2008-10-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Translocation of a Single Stranded DNA Through a Conformationally Changing Nanopore
我们调查易位的单链DNA通过一个孔之间波动的两种构象，使用耦合的主方程。计算易位过程的第一通过时间（FPT）的概率密度函数，显示三重峰、双峰或单峰行为，这取决于构象之间的相互转化率、施加的电场和初始条件。的FPT的累积概率函数，在一个无场的环境中，示出有两个制度，其特征在于快速和缓慢的时间尺度。的平均第一次通过时间的易位过程的解析表达式的推导，并提供，除了相互转化率，广泛的易位过程的表征。实验观察的关系进行了讨论。
2004-02-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Ionic current inversion in pressure-driven polymer translocation through nanopores
我们预测流动电流反转与多价抗衡离子在流体动力学驱动的聚合物易位事件从相关校正的电荷传输理论，包括平均场静电周围的电荷波动。在多价反离子存在下，静电多体效应导致DNA电荷的反转。阴离子对电荷反转的DNA分子的吸引使通过孔的离子电流的符号反转。我们的理论允许一个全面的理解所产生的流动电流的复杂功能。其潜在机制是一种有效的方法来检测DNA电荷反转的压力驱动易位实验与多价阳离子。
2015-02-01 cond-mat.soft
Pulling a DNA molecule through a nanopore embedded in an anionic membrane: tension propagation coupled to electrostatics
我们考虑静电力的影响，驱动易位动力学的一个灵活的被拉过纳米孔的头部单体上的外力。为此，我们增加了等通量张力传播（IFTP）理论与静电的带负电荷的生物聚合物拉通过纳米孔嵌入在一个类似的带电荷的阴离子膜。我们表明，对于现实的情况下，如单链DNA，易位动力学在低盐筛选是弱的，在有限的负膜电荷出乎意料地加速，尽管大的排斥静电相互作用的聚合物线圈上的{ \it顺}侧和带电的膜。这是由于在移位过程中线圈的静电势能的快速释放，导致有效的吸引力，有助于末端驱动移位。加速导致非单调的聚合物长度和膜电荷依赖性的指数$α$，其表征具有长度$N_0$的聚合物的移位时间$τ\propto N_0^α$。在长链聚合物$N_0\gtrsim500$的制度，易位指数超过其上限$α=2$先前观察到的相同的系统没有静电相互作用。
2020-07-04 cond-mat.soft
Coupled dynamics of RNA folding and nanopore translocation
结构化的RNA或DNA分子通过狭窄的孔的移位需要打开所有的碱基对。在这里，我们研究的动力学易位和碱基配对理论之间的相互作用，使用动力学蒙特卡罗模拟和分析方法。我们发现，在基态不发生的碱基对的瞬时形成可以显着加快易位。
2005-09-29 cond-mat.soft q-bio.BM
Translocation of structured polynucleotides through nanopores
我们从理论上研究了结构化RNA/DNA分子通过允许单链但不允许双链通过的窄孔的易位。分子内碱基配对区域的解压缩为易位过程提供了显著的动力学屏障。我们表明，这种情况下，可以利用确定完整的碱基配对模式的多核苷酸，包括RNA假结。至关重要的要求是移位动态（即，易位的分子片段的长度）需要以几个核苷酸的空间分辨率作为时间的函数来记录。这可以例如通过施加用于移位的机械驱动力并利用诸如原子力显微镜或光学镊子的装置记录力-延伸曲线（FEC）来实现。我们的分析表明，有了这种增加的空间分辨率，纳米孔可以转化为一个强大的实验工具来研究核酸的折叠。
2004-02-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Nanoparticle Translocation through Conical Nanopores: A Finite Element Study of Electrokinetic Transport
近年来，人们对纳米孔的兴趣激增，因为这种结构显示出表征纳米颗粒，蛋白质，DNA甚至单分子的强大潜力。这些系统已经在实验中以及通过全原子和粗粒度模拟进行了广泛的研究，重点关注DNA易位。然而，同样有趣的问题，使用纳米孔的颗粒表征受到的关注要少得多。在这里，我们从理论上研究了纳米粒子通过锥形纳米毛细管的易位。我们使用的模型的基础上，数值求解耦合系统的电动连续方程，我们详细介绍。基于我们的研究结果，我们制定了在易位事件期间获得最大电流信号的基本准则，该准则应该可以转移到其他纳米孔几何形状。此外，信号强度对颗粒性质，如表面电荷和尺寸的依赖性，进行评估。最后，我们确定的条件下，防止易位形成一个强大的电渗透屏障，并表明，颗粒甚至可能成为被困在孔的孔口，而不施加外部静水压力差。
2016-06-21 cond-mat.soft
When Knots are Plectonemes
本研究发现纳米孔中dsDNA易位时被误认为结的特征实为螺旋绞旋，其形成由溶剂流诱导的DNA旋转和扭转传播主导，为准确分析聚合物运输提供了新视角。
2024-07-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Opposite translocation of long and short oligomers through a nanopore
我们考虑细长的圆柱形颗粒，建模例如DNA片段或纳米棒，同时在外部施加的电压的作用下通过固态纳米孔移位。特别强调的是把伴随的势能景观，遇到的粒子通过孔由于复杂的相互作用的各种电流体动力学效应超出了小德拜长度的范围。我们发现，跨膜的净势能差可能是相反的符号为短和长的粒子的直径和电荷密度相等（例如低聚物）。因此，热噪声导致通过孔隙向相反方向的偏置扩散。通过附加的膜栅电极，甚至可以控制发生这种传输反转的特定颗粒长度。
2013-07-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Electrochemical reaction in single layer MoS2: nanopores opened atom by atom
提出利用单层 MoS2 的电化学反应，从缺陷或单原子空位处逐原子、逐晶胞刻蚀形成亚纳米精度纳米孔，并借助离子电流阶梯反馈孔径，实现可扩展制备及原位 DNA 易位检测。
2015-04-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Structure and Electrical Properties of DNA Nanotubes Embedded in Lipid Bilayer Membranes
通过脂质双层膜工程化合成纳米孔以进入细胞内部是生物技术中长期存在的挑战。在这里，我们证明了基于瓦的6-螺旋DNA纳米管（DNT）嵌入POPC脂双层的稳定性和动力学使用0.2微秒长的平衡MD模拟轨迹的分析。我们观察到，靠近管腔的脂质分子的头部基团合作地向DNA的亲水性糖-磷酸骨架倾斜，并在膜中突出的DNT补丁周围形成环形结构。此外，我们探讨了离子浓度对脂质-DNT复合物的溶液结构和稳定性的影响。通过对恒电场MD模拟的跨膜离子电流的测量，得到了脂质膜中充水DNT腔的I-V特性。随着盐浓度的增加，多孔DNT管腔的跨膜离子电导的测量值从4.3 nS变化到20.6 nS。在孔的口处具有ssDNA和dsDNA突出端的DNT的模拟显示了门控效应，对于打开和关闭状态的纳米孔，跨膜离子电导率具有显著差异。
2017-10-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Topological jamming of spontaneously knotted polyelectrolyte chains driven through a nanopore
固态纳米器件的出现允许通过磁性地驱动其通过纳米孔来询问单链的物理化学性质。最近的易位过程的显着动力学方面的特点是模型聚合物链的理论和计算研究从自纠缠。然而，足够长的平衡链必然打结。这种拓扑结构的“缺陷”的易位过程中的影响在很大程度上是未开发的，并在本研究中解决。通过使用布朗动力学模拟的粗粒度的CO2模型，我们表明，结，尽管被困在孔入口处，不“本身”导致的易位过程堵塞。相反，结引入随着施加的力而增加的有效摩擦，并且实际上在阈值力以上停止移位。预测的动态交叉，这是实验上可验证的，是相关的应用背景下，如DNA纳米孔测序。
2012-07-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Polymer Translocation Through a Long Nanopore
从理论上研究了聚合物通过膜中纳米孔的迁移。最近关于电压驱动的DNA和RNA通过纳米孔的易位的实验表明，孔的尺寸和几何形状是聚合物动力学中的重要因素。提出了一种理论方法，明确考虑到纳米孔的长度和直径的影响，聚合物运动穿过膜。结果表明，孔的长度是至关重要的聚合物易位动力学。本模型预测，对于现实条件（长纳米孔和大的外部场），有两个制度的易位取决于聚合物的大小：对于大于孔长度的聚合物链，易位的速度几乎是恒定的，而对于小于孔长度的聚合物链的速度随着聚合物尺寸的减小而增加。这些结果与实验数据相符。
2002-09-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Tug-of-War in a Double-Nanopore System
我们模拟拔河（TOW）的情况下，通过双纳米孔（DNP）系统的模型双链DNA线程。在两个孔处同时捕获的DNA经受两个相等且相反的力$-\vec{f}_L= \vec{f}_R$（TOW），其中$\vec{f}_L$和$\vec{f}_R$分别是施加到左孔和右孔的力。即使DNA聚合物$Δ\vec{f}_{LR}=\vec{f}_L+ \vec{f}_R=0$上的净力，平均首次通过时间（MFPT）$\langle τ\rangle$也取决于TOW力$ \left | f_L \right | = \left |f_R \right | = f_{LR}$的大小。我们定性地解释了这种依赖性的$\langle τ\rangle$ $f_{LR}$从已知的结果为单孔易位的三嵌段共聚物。我们表明，飞行时间（TOF）的单体与指数$m$（$\langle τ_{LR}(m) \rangle$）从一个孔到另一个表现出准周期结构与孔之间的距离$d_{LR}$相称。最后，我们研究了$Δ\vec{f}_{LR}=\vec{f}_L+ \vec{f}_R \ne 0$的情况，并定性地再现了MFPT对$Δ\vec{f}_{LR}$依赖性的实验结果。对于中等偏置，链长$N$的DNP系统的MFPT遵循与单个纳米孔$\langle τ\rangle = \left( AN^{1+ν} + η_{pore}N \rig…
2020-06-16 cond-mat.soft
Coarse-grained simulation of polymer translocation through an artificial nanopore
大分子通过纳米孔的移位是一个有趣的过程，在开发用于单分子分析的生物传感器以及药物递送和基因治疗中具有重要应用。我们已经进行了一个分子动力学模拟研究的带电聚合物通过人工纳米孔的电泳易位，以探索基于半导体的纳米孔设备的超快速DNA测序的可行性。该聚合物是由一个简单的珠-弹簧模型，旨在产生一个适当的粗粒度描述的磷酸盐骨架的DNA在无盐的水溶液中。单个易位事件的详细分析，以评估是否可以通过测量聚合物易位过程中的静电势的变化，通过纳米级的场效应晶体管检测到通过孔的个别离子的通道。我们发现，它是可能的，以确定对应于通过孔的抗衡离子的单一事件，但歧视的基础上的静电势的变化的聚合物链上的个别离子是有问题的。在易位过程中的几个不同的阶段被确定，其特征在于在聚合物构象的变化和由波动的电荷分布引起的内部电场的大小和方向的变化。反离子的凝聚分数对Bjerrum长度的依赖性导致聚合物构象的显着变化，这深刻地影响了电泳和易位的动力学。
2003-01-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
The long reach of DNA sequence heterogeneity in diffusive processes
许多生物过程都涉及到相关长度为$ξ_c$的相关非均匀能量景观上的一维扩散。典型的例子是DNA上的特异性蛋白质靶定位、核小体重新定位或DNA移位通过纳米孔，在所有情况下$ξ_c\approx$ 10 nm。我们调查这种运输过程的平均首次通过时间（MFPT）的形式主义，并发现扩散时间表现出强烈的样品样品的波动。对于一个位移$N$，平均MFPT是扩散的，而它的标准偏差在能量分布的合奏尺度为$N^{3/2}$与一个大的前因子。因此，对于小于特征$N_c \gg ξ_c$的位移，波动占主导地位：典型值远小于平均值，并受异常扩散规则支配。潜在的生物后果，这种随机行走，包括快速扫描附近的有利的能量谷和偶尔跳转到进一步的山谷，进行了讨论。
2003-10-22 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.bio-ph
Exact current blockade maps of dsDNA bound motifs driven through a solitary nanopore using electrokinetic Brownian dynamics
本研究利用电动布朗动力学探究双链DNA基序在纳米孔中的电流阻断机制，明确反离子凝聚是电流下降主因，且二价离子作用更强，还提出用普通BD模型的体积假设重构电流阻断特性以降低长基因组片段的模拟成本。
2023-08-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Knot formation of dsDNA pushed inside a nanochannel
最近的实验表明，单DNA链中的结可以通过纳米通道中的流体动力学压缩形成。在这封信中，我们进一步阐明了潜在的分子机制，通过进行压缩实验在硅片上，其中一个平衡的粗粒度的双链DNA限制在一个正方形的通道是由活塞推动。形成结的概率是持续长度的非单调函数，并且可以通过增加活塞速度来显著增强。在压缩下，由于链跨越环出现的回折机制，结是丰富的和离域的，而结不太频繁，在平衡状态下只有弱局部化。因此，我们的计算机研究提供了对纳米孔中DNA结的形成、起源和控制的见解。
2021-11-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Influence of pore dielectric boundaries on the translocation barrier of DNA
我们研究了介电边界力对带电荷的刚性DNA片段通过固体中性纳米孔的易位过程的影响。我们评估静电的贡献易位的自由能垒的模型DNA片段通过评估的平均力的潜力，通过粗粒度的分子动力学模拟的极化效应的存在和不存在。感应极化电荷的影响已被考虑采用ICC*，最近开发的算法，可以有效地计算感应极化电荷上适当离散的介质边界。由于水具有比孔壁更高的介电常数，极化效应排斥界面附近的带电物体，具有显著增加自由能垒的效果。另一个研究的副作用是在诱导孔电荷存在的情况下带电聚合物周围反离子分布的变化。此外，我们还研究了向溶液中加入盐的影响。
2010-02-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Polymer translocation under a pulling force: scaling arguments and threshold forces
通过纳米孔的DNA移位是下一代测序技术中最有前途的策略之一。大部分的实验和数值计算工作都集中在电泳偏置的聚合物移位上，其中拉力作用于纳米孔内的聚合物。然而，一种替代策略正在出现，它使用光学或磁性镊子。在这种情况下，拉力直接施加在聚合物的一端，这强烈地改变了移位过程。在本文中，我们报告的线性和结构化（模仿DNA）聚合物模型的数值模拟，足够简单，允许统计处理的孔结构的影响易位时间的概率分布。基于极其扩展的计算机模拟数据，我们：i）提出了扩展的预测易位时间$τ\sim N^{2}F^{-1}$在中等力范围内的缩放参数; ii）分析了孔尺寸和聚合物结构对易位时间$τ$的影响。
2017-11-29 cond-mat.soft
Polymer escape through a three dimensional Double-Nanopore System
我们使用布朗动力学（BD）模拟研究了双链DNA（dsDNA）通过理想化的双纳米孔（DNP）几何形状受到两个相等且相反的力（拔河）的逃逸动力学。除了施加在孔之间的共捕获的dsDNA片段上的几何限制之外，在每个孔处存在拔河力导致孔之间的链的片段的局部链刚度的变化，这增加了链的整体刚度。我们使用BD模拟结果来了解如何内在的链刚度和TOW力影响的逃逸动力学通过监测本地链的持续长度$\ell_p$，在纳米孔中的单个单体$W(m)$的停留时间，和逃逸时间$\langle τ\rangle$及其分布的链长依赖性。最后，我们概括了无偏的单纳米孔易位的标度理论，为一个完全灵活的链通过DNP在TOW力的存在下的半柔性链的逃逸。我们建立的刚度依赖的部分逃逸时间是近似独立的移位机制，使$\langle τ\rangle \sim \ell_p^{2/D+2}$，因此广义逃逸时间的半柔性链可以写为$\langle τ\rangle = AN^α\ell_p^{2/D+2}$。我们使用BD模拟结果来比较标度理论的预测。我们的数值研究辅以尺度分析，为设计新的实验提供了基本的见解，其中dsDNA缓慢地穿过一系列石墨烯纳米孔。
2020-06-19 cond-mat.soft
Using a Péclet Number for the Translocation of Polymer through a Nanopore to Tune Coarse-Grained Simulations to Experimental Conditions
粗粒度模拟通常用于研究DNA通过纳米孔的移位。这些研究中的大多数在相对一般的意义上调查易位过程，并不试图匹配任何特定的实验条件。在这篇手稿中，我们使用的概念的佩克莱数易位，$P_t$，比较漂移扩散平衡在一个典型的实验与一个典型的模拟。我们发现，与使用dsDNA的实验条件相比，标准的粗粒度方法高估了扩散效应5到50倍。通过定义一个粗粒度参数$λ$，我们能够纠正这一点，并调整模拟复制实验$P_t$（对于dsDNA和其他情况）。为了显示特定的$P_t$可以对易位的动力学产生的影响，我们针对两种不同类型的驱动力在宽范围的$P_t$值上进行模拟：施加在孔中的力和施加到聚合物末端的拉力。当$P_t$将系统从扩散主导的状态带到漂移主导的状态时，观察到各种效应，包括易位时间$τ$对$P_t$的非单调依赖性和易位概率的急剧上升。比较这两种力的情况下，说明了拥挤效应的影响，发生在反侧：一个非单调的依赖性的$τ$分布的宽度得到的孔隙力，但不是拉力。
2014-07-03 cond-mat.soft
