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單鏈DNA (ssDNA)分子在溶液中通常會(huì)形成螺旋結(jié)構(gòu)，因此在將納米技術(shù)應(yīng)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(jìn)展可以設(shè)計(jì)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(zhǎng)度和潛在的非特異性相互作用引起的堵塞，導(dǎo)致在納米通道內(nèi)無(wú)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(bào)告了一個(gè)ssDNA拉伸平臺(tái)：由石墨烯和六方氮化硼(h-BN)組成的二維平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并表明ssDNA可以在夾在兩個(gè)相鄰石墨烯域(“納米通道”)之間的h-BN納米帶上拉伸。我們進(jìn)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(yùn)輸，從而便于控制/操作。當(dāng)與現(xiàn)有的原子分辨率傳感器能集成時(shí)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)平臺(tái)為在平面表面上測(cè)序DNA鋪平了道路。

Fig. 1 2D材料上的ssDNA動(dòng)力學(xué)：石墨烯、h-BN及其平面內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。(a)關(guān)于如何在平面內(nèi)石墨烯/h-BN/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)上自發(fā)拉伸ssDNA的說(shuō)明。(b)石墨烯/h-BN邊界附近的ssDNA片段放大圖。(c-e) ssDNA在石墨烯/h-BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)、石墨烯和h-BN上的模擬系統(tǒng)。(f)在模擬過程中，石墨烯/h-BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中在ssDNA 3.5 Å以內(nèi)的原子數(shù)。(g) ssDNA與不同2D材料之間的范德華相互作用能(每個(gè)核苷酸)。(h) ssDNA(質(zhì)心)在不同2D材料上的高度。
 

Fig. 2 在石墨烯/h-BN/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)上模擬ssDNA運(yùn)動(dòng)。(a)石墨烯域上ssDNA的初始線性構(gòu)象(Sim-5和Sim-6)。(b)石墨烯疇上ssDNA的初始環(huán)狀構(gòu)象(Sim-7和Sim-8)。(c,d) ssDNA在181和311 ns處的構(gòu)象(Sim-5)。(e)與ssDNA接觸的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中原子數(shù)目的散點(diǎn)圖。(f)在所有四個(gè)模擬中，ssDNA的端到端距離。

Fig. 3 ssDNA在石墨烯/h-BN/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)上的電泳轉(zhuǎn)運(yùn)。(a)不同時(shí)間ssDNA電驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)示意圖(V = 0.2 V)。(b) ssDNA在各種外部偏置電壓下的時(shí)變位移。(c)不同偏置電壓下ssDNA的平均速度。(d)當(dāng)V = 0 V時(shí)，ssDNA在不同時(shí)間間隔的均方位移。

相關(guān)研究成果于2019年由美國(guó)紐約州約克鎮(zhèn)高地IBM托馬斯J.沃森研究計(jì)算生物中心Binquan Luan和Ruhong Zhou，發(fā)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