高分子經(jīng)納米管道輸運和檢測的模擬研究.pdf

1、生物高分子（DNA，蛋白質(zhì)等）通過納米孔穿過細胞膜的過程，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)可以通過單分子實驗技術(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行測序。進入21世紀，對基因組測序的需求越來越強烈，而傳統(tǒng)的Sanger測序方法花費高、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

2、測序具有無須標記、迅速、價格便宜等優(yōu)點，因此成了新一代測序技術(shù)的有力候選者。雖然有關(guān)高分子穿孔的實驗取得了很大的進步，但是這個過程中的某些機制還不是很清楚，這也促進了理論和模擬對這一現(xiàn)象進行更深層次的研究。
　　利用納米孔進行DNA測序等檢測實驗中，一般是通過在膜兩端施加電場驅(qū)動帶電的DNA生物分子進行跨膜輸運。這實際上是一個非常復(fù)雜的過程，總的來說，這一過程會受到五個因素的影響，(1)外加的電場強度，(2)高分子鏈本身的動力學(xué)，

3、(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)。最近的實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用α-haemolysin蛋白(α-HL)作為納米孔時，由于孔兩側(cè)pH濃度梯度的不同會改變α-HL蛋白的質(zhì)子化情況，進而改變了DNA與納米孔的相互作用。我們進而猜想，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度，k是能量梯度，x是高分子單體在管道中

4、的位置。通過Fokker-Planck方程計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。
　　為了進一步驗證上述基于簡單假設(shè)所作出的研究結(jié)果，我們還進行了非格點的動力學(xué)Monte Carlo模擬來檢驗我們的結(jié)果。我們的理論工作中，采用Fokker-Planck計算的首次穿越時間考慮的是反射/吸附邊

5、界條件，這個邊界條件忽略了高分子在輸運過程中會有退出納米孔的情況。因此在模擬中我們計算了兩個時間，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α-HL之類的生物納米孔，碳納米管(CNT)等無機納米孔的研究也引起了人們的廣泛關(guān)注。最近實驗發(fā)現(xiàn)CNT可以實現(xiàn)對DNA的高靈敏度檢測:比如它可以檢測出單

6、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。為了更好的理解CNT高靈敏度檢測的機制，我們運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-modified5hmC的響應(yīng)。我們的結(jié)果表明，雖然Bzim-modified5hmC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)果與之前的實驗結(jié)果一致。這一反?，F(xiàn)象與DNA在碳納米