تعیین توالی DNA با استفاده از نانومنفذ عامل‌دار گرافین: مطالعه دینامیک مولکولی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران

3 دانشیار، دانشکده علوم ریاضی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق امکان تعیین توالی تک‌رشته DNA حین عبور از نانومنفذ عامل‌دار صفحات گرافینی با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی هدایت شده در سرعت ثابت بررسی شده است. جهت عامل‌دار کردن نانومنفذ، از اتم‌های هیدروژن و گروه هیدروکسیل استفاده شده است. حین عبور تک رشته DNA، نیروی مورد نیاز برای حرکت DNA به اتم فسفر ستون فقرات آن اعمال می‌شود و سپس تغییرات نیرو جهت تشخیص تمایز بین بازها بررسی شده است. همچنین، بروز تغییرات در زوایه صفحه باز نسبت به صفحه گرافین، که زاویه بتا نامیده می‌شود، حین عبور DNA از نانومنفذ بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهد که با استفاده از این ساختار و بررسی پارامترهای مورد تحقیق، مولکول‌های سیتوزین، گوانین و تیمین با استفاده از این روش قابل تمایز هستند. این امید وجود دارد که با به خدمت گرفتن قابلیت‌های این روش و توجه بیشتر به پتانسیل‌های منحصر به فرد نانوساختارهای حالت جامد دوبعدی، افقی نو برای طراحی نسل جدید ماشین‌های توالی‌یابی پروتئین‌ها در دید محققان پروژه کلان ژنوم شناسی انسانی بگشاید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

  • [1] Sanger F. Sequences, sequences, and sequences. Annual review of biochemistry; Vol. 57, No. 1, pp. 1-29, 1988.
  • [2] Shendure J, Balasubramanian S, Church GM, Gilbert W, Rogers J, Schloss JA, et al. DNA sequencing at 40: past, present and future. Nature; Vol. 550, 7676, pp. 345-353, 2017.
  • [3] Wetterstrand KA. DNA sequencing costs: data from the NHGRI Genome Sequencing Program (GSP). 2013.
  • [4] Hasnain MJU, Afzal B, Anwar T, Pervez MT, Hussain T. 2. A review on nanopore sequencing technology, its applications and challenges. Pure and Applied Biology (PAB); Vol. 9, No. 1, pp. 154-161, 2020.
  • [5] Garalde DR, Snell EA, Jachimowicz D, Sipos B, Lloyd JH, Bruce M, et al. Highly parallel direct RNA sequencing on an array of nanopores. Nature methods; Vol. 15, No. 3, pp. 201-206, 2018.
  • [6] Kasianowicz JJ, Brandin E, Branton D, Deamer DW. Characterization of individual polynucleotide molecules using a membrane channel. Proceedings of the National Academy of Sciences; Vol. 93, No. 24, pp. 13770-13773, 1996.
  • [7] Yu Y-s, Lu X, Ding H-m, Ma Y-q. Computational investigation on DNA sequencing using functionalized graphene nanopores. Physical Chemistry Chemical Physics; Vol. 20, No. 14, pp. 9063-9069, 2018.
  • [8] Wells DB, Belkin M, Comer J, Aksimentiev A. Assessing graphene nanopores for sequencing DNA. Nano letters; Vol. 12, No. 8, pp. 4117-4123, 2012.
  • [9] Bayley H. Piercing insights. Nature; Vol. 459, No. 7247, pp. 651-652, 2009.
  • Mohammadi MM, Bavi O. DNA sequencing: an overview of solid-state and biological nanopore-based methods. Biophysical Reviews; Vol. 14, No. 1, pp. 99-110, 2022.
  • Yuan Z, Liu Y, Dai M, Yi X, Wang C. Controlling DNA translocation through solid-state nanopores. Nanoscale research letters; Vol. 15, No. 1, pp. 1-9, 2020.
  • Amarasinghe SL, Su S, Dong X, Zappia L, Ritchie ME, Gouil Q. Opportunities and challenges in long-read sequencing data analysis. Genome biology; Vol. 21, No. 1, pp. 1-16, 2020.
  • Feng Z, Clemente JC, Wong B, Schadt EE. Detecting and phasing minor single-nucleotide variants from long-read sequencing data. Nature communications; Vol. 12, No. 1, pp. 1-13, 2021.
  • Bobrovskikh AV, Doroshkov A, Mazzoleni S, Carteni F, Giannino F, Zubairova U. A sight on single-cell transcriptomics in plants through the prism of cell-based computational modeling approaches: benefits and challenges for data analysis. Frontiers in Genetics; Vol. 12, No., pp. 771, 2021.
  • Henry MB, Tumbapo M, Tayo BO. Identification of DNA bases using nanopores created in finite-size nanoribbons from graphene, phosphorene, and silicene. AIP Advances; Vol. 11, No. 3, pp. 35-47, 2021.
  • Graf M, Lihter M, Altus D, Marion S, Radenovic A. Transverse detection of DNA using a MoS2 nanopore. Nano letters; Vol. 19, No. 12, pp. 9075-9083, 2019.
  • Heerema SJ, Dekker C. Graphene nanodevices for DNA sequencing. Nature nanotechnology; Vol. 11, 2, pp. 127-136, 2016.
  • Jose D, Datta A. Structures and chemical properties of silicene: unlike graphene. Accounts of chemical research; Vol. 47, No. 2, pp. 593-602, 2014.
  • Zereshki P, Wei Y, Ceballos F, Bellus MZ, Lane SD, Pan S, et al. Photocarrier dynamics in monolayer phosphorene and bulk black phosphorus. Nanoscale; Vol. 10, No. 24, pp. 11307-11313, 2018.
  • Chen Y, Ren R, Pu H, Chang J, Mao S, Chen J. Field-effect transistor biosensors with two-dimensional black phosphorus nanosheets. Biosensors and Bioelectronics; Vol. 89, No., pp. 505-510, 2017.
  • Satarifard V, Foroutan M, Ejtehadi MR. How effective is graphene nanopore geometry on DNA sequencing? arXiv preprint arXiv:150102169; Vol., No., pp., 2015.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار