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石墨烯和六方氮化硼平面異質結構中的自發ssDNA拉伸

單鏈DNA (ssDNA)分子在溶液中通常會形成螺旋結構,因此在將納米技術應用于ssDNA分析之前,拉伸ssDNA是極其重要的。材料制備研究方面的最新進展可以設計納米通道,使其能夠操縱、拉伸、排序和映射雙鏈DNA (dsDNA)分子,但是由于超短的持久性長度和潛在的非特異性相互作用引起的堵塞,導致在納米通道無法拉伸ssDNA分子。鑒于ssDNA拉伸在基因組分析中的重要性,本文報告一個ssDNA拉伸平臺由石墨烯和六方氮化硼(h-BN)組成的二維平面異質結構,并表明ssDNA可以在夾在兩個相鄰石墨烯域(納米通道)之間的h-BN納米帶上拉伸。我們進一步證明,在偏置電壓下,拉伸后的ssDNA可以沿納米通道電泳運輸,從而便于控制/操作。當與現有的原子分辨率傳感器集成時,異質結構平臺為在平面表面上測序DNA鋪平了道路。

  

Fig. 1 2D材料上的ssDNA動力學石墨烯、h-BN及其平面內異質結構。(a)關于如何在平面內石墨烯/h-BN/石墨烯異質結構上自發拉伸ssDNA的說明。(b)石墨烯/h-BN邊界附近的ssDNA片段放大圖(c-e) ssDNA石墨烯/h-BN異質結構、石墨烯h-BN上的模擬系統。(f)在模擬過程中,石墨烯/h-BN異質結構中ssDNA 3.5 Å以內的原子數。(g) ssDNA與不同2D材料之間的范德華相互作用能(每個核苷酸)(h) ssDNA(質心)在不同2D材料上的高度
 

 

Fig. 2 在石墨烯/h-BN/石墨烯異質結構上模擬ssDNA運動。(a)石墨烯域上ssDNA的初始線性構象(Sim-5Sim-6)(b)石墨烯疇上ssDNA的初始環狀構象(Sim-7Sim-8)(c,d) ssDNA181311 ns處的構象(Sim-5)(e)ssDNA接觸的異質結構中原子數目的散點圖。(f)在所有四個模擬中,ssDNA的端到端距離。

 

Fig. 3 ssDNA石墨烯/h-BN/石墨烯異質結構上的電泳轉運。(a)不同時間ssDNA電驅動運動示意圖(V = 0.2 V)(b) ssDNA在各種外部偏置電壓下的時變位移。(c)不同偏置電壓下ssDNA的平均速度。(d)V = 0 V時,ssDNA在不同時間間隔的均方位移

 

相關研究成果于2019年由美國紐約州約克鎮高地IBM托馬斯J.沃森研究計算生物中心Binquan LuanRuhong Zhou,發表在Nature Communication (https://doi.org/10.1038/s41467-019-12584-w )上。原文:Spontaneous ssDNA stretching on graphene and hexagonal boron nitride in plane heterostructures

 
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