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石墨烯和六方氮化硼平面异质结构中的自发ssDNA拉伸

单链DNA (ssDNA)分子在溶液中通常会形成螺旋结构,因此在将纳米技术应用于ssDNA分析之前,拉伸ssDNA是极其重要的。材料制备研究方面的最新进展可以设计纳米通道,使其能够操纵、拉伸、排序和映射双链DNA (dsDNA)分子,但是由于超短的持久性长度和潜在的非特异性相互作用引起的堵塞,导致在纳米通道内无法拉伸ssDNA分子。鉴于ssDNA拉伸在基因组分析中的重要性,本文报告了一个ssDNA拉伸平台:由石墨烯和六方氮化硼(h-BN)组成的二维平面异质结构,并表明ssDNA可以在夹在两个相邻石墨烯域(“纳米通道”)之间的h-BN纳米带上拉伸。我们进一步证明,在偏置电压下,拉伸后的ssDNA可以沿“纳米通道”电泳运输,从而便于控制/操作。当与现有的原子分辨率传感器能集成时,异质结构平台为在平面表面上测序DNA铺平了道路。

石墨烯和六方氮化硼平面异质结构中的自发ssDNA拉伸

Fig. 1 2D材料上的ssDNA动力学:石墨烯、h-BN及其平面内异质结构。(a)关于如何在平面内石墨烯/h-BN/石墨烯异质结构上自发拉伸ssDNA的说明。(b)石墨烯/h-BN边界附近的ssDNA片段放大图。(c-e) ssDNA在石墨烯/h-BN异质结构、石墨烯和h-BN上的模拟系统。(f)在模拟过程中,石墨烯/h-BN异质结构中在ssDNA 3.5 Å以内的原子数。(g) ssDNA与不同2D材料之间的范德华相互作用能(每个核苷酸)。(h) ssDNA(质心)在不同2D材料上的高度。

石墨烯和六方氮化硼平面异质结构中的自发ssDNA拉伸

Fig. 2 在石墨烯/h-BN/石墨烯异质结构上模拟ssDNA运动。(a)石墨烯域上ssDNA的初始线性构象(Sim-5和Sim-6)。(b)石墨烯畴上ssDNA的初始环状构象(Sim-7和Sim-8)。(c,d) ssDNA在181和311 ns处的构象(Sim-5)。(e)与ssDNA接触的异质结构中原子数目的散点图。(f)在所有四个模拟中,ssDNA的端到端距离。

石墨烯和六方氮化硼平面异质结构中的自发ssDNA拉伸

Fig. 3 ssDNA在石墨烯/h-BN/石墨烯异质结构上的电泳转运。(a)不同时间ssDNA电驱动运动示意图(V = 0.2 V)。(b) ssDNA在各种外部偏置电压下的时变位移。(c)不同偏置电压下ssDNA的平均速度。(d)当V = 0 V时,ssDNA在不同时间间隔的均方位移。

相关研究成果于2019年由美国纽约州约克镇高地IBM托马斯J.沃森研究计算生物中心Binquan Luan和Ruhong Zhou,发表在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。

本文来自石墨烯杂志,本文观点不代表利特纳米立场,转载请联系原作者。

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