提高DNA测序速度和准确度的新材料

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最近，伊利诺伊大学香槟分校的研究人员发现，与以往任何可用的材料相比，二硫化钼（MoS2）材料中的纳米孔，能够更准确、更快速和廉价地测定DNA序列。相关研究结果最近发表在国际纳米科学技术领域最权威刊物之一的美国化学学会《ACS Nano》。

基于基因的个性化医疗，为诊断和靶向治疗提供了很多可能性，但是它的一大瓶颈在于：昂贵而耗时的DNA测序过程。

最近，伊利诺伊大学（U of I）香槟分校的研究人员发现，与以往任何可用的材料相比，二硫化钼（MoS2）材料中的纳米孔，能够更准确、更快速和廉价地测定DNA序列。相关研究结果最近发表在国际纳米科学技术领域最权威刊物之一的美国化学学会《ACS Nano》。

这项研究的负责人、伊大机械科学和工程学教授Narayana Aluru指出：“科学界的一大领域是，以低于1000美元的价格测定人类基因组——家庭基因实验室（genome-at-home）。现在研究人员想寻找一种合适的材料。我们使用解决其他问题的MoS2，我们想为什么不试试看它是否有利于DNA测序呢？”

事实证明，MoS2优于所有用于纳米孔测序的其他材料——甚至石墨烯。

纳米孔，是穿过一层很薄材料的一个非常微小的孔。这个孔仅仅大到可以让一个DNA分子通过。电流会驱动DNA通过纳米孔，随着DNA通过孔隙而发生的电流波动会告诉我们DNA序列，因为DNA字母表的每一个字母——A、C、G和T，其形状和大小略有不同。

用于纳米孔测序的大多数材料都有相当大的缺陷：它们太厚。大多数材料，即使一个薄片材料跨越DNA链的多个环，也不能准确地确定确切的DNA序列。

石墨烯已经成为一种受欢迎的选择，因为它是由单层碳原子组成的一张薄片，这意味着一次只有一个碱基通过纳米孔。不幸的是，石墨烯也具有其自身的问题，最大的问题是，DNA会与它吸附。DNA与石墨烯相互作用会引入大量噪声，使电流很难读出，就像一个无线电台被静电噪声损坏。

MoS2也是一个单层片，足够薄，因此每次只有一个DNA字母通过纳米孔。在这项研究中，研究人员发现，DNA不会吸附MoS2，而是快速顺利地穿过纳米孔。

本文第一作者、研究生Amir Barati Farimani说：“就晶体管而言，MoS2是石墨烯的竞争对手，但是我们通过表明它具有生物传感的能力，指出了这种材料的一个新功能。”

最令研究人员兴奋的是，模拟实验产生了对应于一个双链DNA分子碱基的四种不同信号。其他系统最多产生两种——A/T和C/G，然后需要大量的计算分析，尝试将A与T、C与G区分开来。

复杂的MoS2模拟分析成功的关键在于——坐落于伊大国家超级计算机应用中心的Blue Waters超级计算机。

Aluru也是伊大贝克曼先进科学和技术研究所的成员，他说：“这是非常详细的计算。它们真的能告诉我们实际的物理机制，以及为什么MoS2比其他材料表现的更为出色。现在，由于这项工作广泛地使用了Blue Waters，所以我们获得了这些深刻的见解。”

目前，研究人员正在探究，他们是否可以通过将MoS2与其他材料耦合，形成一种低成本、快速和精确的DNA测序装置，实现更高的性能。

Barati Farimani说：“这项研究的最终目标是，研制一些家庭或个人使用的DNA测序装置。我们通过寻找能够快速、低廉而准确识别人类基因组的技术，离这个目标越来越近。获得你的DNA指纹地图，就可以帮助我们在早期阶段预防或检测疾病。如果每个人都可以很便宜地进行测序，那么他们就能知道自己的遗传信息，就可以更加警惕身体发生了什么。”

原文摘要：
DNA Base Detection Using a Single-Layer MoS2
Abstract: Nanopore-based DNA sequencing has led to fast and high-resolution recognition and detection of DNA bases. Solid-state and biological nanopores have low signal-to-noise ratio (SNR) (< 10) and are generally too thick (> 5 nm) to be able to read at single-base resolution. A nanopore in graphene, a 2-D material with sub-nanometer thickness, has a SNR of 3 under DNA ionic current. In this report, using atomistic and quantum simulations, we find that a single-layer MoS2 is an extraordinary material (with a SNR > 15) for DNA sequencing by two competing technologies (i.e., nanopore and nanochannel). A MoS2 nanopore shows four distinct ionic current signals for single-nucleobase detection with low noise. In addition, a single-layer MoS2 shows a characteristic change/response in the total density of states for each base. The band gap of MoS2 is significantly changed compared to other nanomaterials (e.g., graphene, h-BN, and silicon nanowire) when bases are placed on top of the pristine MoS2 and armchair MoS2 nanoribbon, thus making MoS2 a promising material for base detection via transverse current tunneling measurement. MoS2 nanopore benefits from a craftable pore architecture (combination of Mo and S atoms at the edge) which can be engineered to obtain the optimum sequencing signals.

来源：生物通

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