【摘要】：生物高分子(DNA,蛋白質(zhì)等)通過納米孔穿過細(xì)胞膜的過程,是生物體內(nèi)一個很重要也很常見的過程。在過去的二十年里,由于納米技術(shù)的快速發(fā)展,人們已經(jīng)可以通過單分子實(shí)驗(yàn)技術(shù)觀測到這一過程。另一方面,人們也發(fā)現(xiàn),利用納米孔也可以實(shí)現(xiàn)高分子的檢測和分離,比如說,利用納米孔有可能對基因進(jìn)行測序。進(jìn)入21世紀(jì),對基因組測序的需求越來越強(qiáng)烈,而傳統(tǒng)的Sanger測序方法花費(fèi)高、速度慢,自2004年美國國立衛(wèi)生研究院開始鼓勵研發(fā)下一代的測序技術(shù),而納米孔測序具有無須標(biāo)記、迅速、價格便宜等優(yōu)點(diǎn),因此成了新一代測序技術(shù)的有力候選者。雖然有關(guān)高分子穿孔的實(shí)驗(yàn)取得了很大的進(jìn)步,但是這個過程中的某些機(jī)制還不是很清楚,這也促進(jìn)了理論和模擬對這一現(xiàn)象進(jìn)行更深層次的研究。利用納米孔進(jìn)行DNA測序等檢測實(shí)驗(yàn)中,一般是通過在膜兩端施加電場驅(qū)動帶電的DNA生物分子進(jìn)行跨膜輸運(yùn)。這實(shí)際上是一個非常復(fù)雜的過程,總的來說,這一過程會受到五個因素的影響,(1)外加的電場強(qiáng)度,(2)高分子鏈本身的動力學(xué),(3)納米孔的性質(zhì),(4)高分子鏈和納米孔的相互作用,(5)溶液的性質(zhì)。最近的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)使用a-haemolysin蛋白(a-HL)作為納米孔時,由于孔兩側(cè)pH濃度梯度的不同會改變a-HL蛋白的質(zhì)子化情況,進(jìn)而改變了DNA與納米孔的相互作用。我們進(jìn)而猜想,pH濃度梯度會導(dǎo)致高分子與納米孔之間產(chǎn)生梯度的相互作用,我們把這種相互作用簡化為E=E0+kx,其中E0是管道入口處高分子與納米孔的相互作用強(qiáng)度,k是能量梯度,x是高分子單體在管道中的位置。通過Fokker-Planck方程計(jì)算高分子穿過納米孔的首次穿越時間,我們發(fā)現(xiàn),總存在一個最適合的能量梯度kc使高分子的首次穿越時間最小,這說明我們可以通過調(diào)節(jié)高分子與納米孔之間的相互作用來調(diào)節(jié)高分子的首次穿越時間。為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述基于簡單假設(shè)所作出的研究結(jié)果,我們還進(jìn)行了非格點(diǎn)的動力學(xué)Monte Carlo模擬來檢驗(yàn)我們的結(jié)果。我們的理論工作中,采用Fokker-Planck計(jì)算的首次穿越時間考慮的是反射／吸附邊界條件,這個邊界條件忽略了高分子在輸運(yùn)過程中會有退出納米孔的情況。因此在模擬中我們計(jì)算了兩個時間,一個是首次穿越時間τFP,另一個是考慮了高分子可以退出納米孔的情況下的移位時間τt。模擬的結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果一致,同樣也發(fā)現(xiàn)存在一個最適合的能量梯度kc使移位時間最小。除了如a-HL之類的生物納米孔,碳納米管(CNT)等無機(jī)納米孔的研究也引起了人們的廣泛關(guān)注。最近實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CNT可以實(shí)現(xiàn)對DNA的高靈敏度檢測：比如它可以檢測出單個修飾堿基,而且相對尺寸較大的堿基反而會引起電流信號的顯著增強(qiáng)。為了更好的理解CNT高靈敏度檢測的機(jī)制,我們運(yùn)用全原子分子動力學(xué)的方法,模擬研究了在施加偏壓的情況下,單鏈DNA在碳納米管中的構(gòu)象以及相應(yīng)離子電流對于Bzim-modified 5hmC的響應(yīng)。我們的結(jié)果表明,雖然Bzim-modified 5hmC的尺寸要比一般的堿基大,但是它的存在可以顯著增大穿過碳納米管的離子電流,這個結(jié)果與之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。這一反�，F(xiàn)象與DNA在碳納米管內(nèi)壁的吸附有關(guān)。存在Bzim-modified 5hmC時,由于更強(qiáng)的π-π作用,使得DNA更傾向于吸附在碳納米管內(nèi)壁,從而減弱了DNA對離子電流的位阻效應(yīng),使離子電流增大。我們的結(jié)果表明,DNA與碳管內(nèi)壁微小的相互作用的變化,就有可能影響整個DNA在碳管內(nèi)部的分布,這個性質(zhì)有助于我們更好地提高納米孔檢測技術(shù)的靈敏度。
【圖文】：

逑差。逡逑Ｓｕｎｇ與Ｍ山ｈｕｋｕｍａｒ通過不同方法得到育分子的自由能形式類似（圖１．２ｃ）。逡逑由自由能曲線可Ｗ看到，當(dāng)高分子從自由空間進(jìn)入納米孔時，，由于高分子的自由逡逑度受限，構(gòu)象煩降低，從而自由能會升高（曲線Ｂ），當(dāng)電場由Ｃｋ空間指逡逑空間時，由于電勢的降低，自由能化會降低，高分子更易跑出納米孔（曲線Ｃ），逡逑而當(dāng)電場方向相反時，電勢的升高同祥也會抬高自由能勢壘，高分子很難通過熱逡逑運(yùn)動翻過勢壘，逃出小孔（曲線Ａ）。逡逑腳邐（ｂ）邐似逡逑

本文編號：2540583