ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ОДИНОЧНЫХ МОЛЕКУЛ ДНК С ПОМОЩЬЮ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ НАНОПОРЫ

Автор: П. К. Афоничева, Н. В. Ваулин, Д. В. Лебедев, А. С. Букатин, Д. А. Кириленко, А. Н. Аблеев, Ю. Д. Иванов, И. С. Мухин, А. А. Евстрапов,

Журнал: Научное приборостроение @nauchnoe-priborostroenie

Рубрика: Научные статьи, посвященные памяти Л.Н. Галль

Статья в выпуске: 4, 2024 года.

Бесплатный доступ

В работе продемонстрирована возможность электрохимического детектирования одиночных молекул ДНК с помощью тонкой SiN-мембраны с интегрированной наноразмерной порой. Были проведены эксперименты по регистрации ионного тока для буферного раствора без/с добавлением молекул ДНК 10 000, 5000 и 500 пар оснований (п.о.). Для анализа полученных данных разработан алгоритм поиска событий транслокаций одиночных молекул через нанопору. Такой алгоритм позволяет анализировать амплитуду, длительность и частоту обнаруженных событий с целью анализа детектируемых молекул. Для ДНК 5000 и 500 п.о показана нелинейная зависимость продолжительности прохождения молекул от их длины. Продемонстрировано, что при уменьшении длины молекул в 10 раз продолжительность транслокаций снижается на 35%. Продемонстрированная возможность детектирования транслокаций создает основу для создания твердотельного нанопорового сенсора.

Еще

Нанопора, твердотельная нанопора, микрофлюидика, ионный транспорт, SiN-мембраны, биосенсоры, ДНК, транслокация ДНК

Короткий адрес: https://sciup.org/142242731

IDR: 142242731

Список литературы ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ОДИНОЧНЫХ МОЛЕКУЛ ДНК С ПОМОЩЬЮ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ НАНОПОРЫ

1. Liu H., Zhou Q., Wang W., Fang F., Zhang J. Solid-State Nanopore Array: Manufacturing and Applications // Small. 2023. Vol. 19, iss. 6. Id. 2205680. DOI: 10.1002/smll.202205680
2. Kan X., Wu C., Wen L., Jiang, L. Biomimetic nanochannels: From fabrication principles to theoretical insights // Small Methods. 2022. Vol. 6, no. 4. Id. 2101255. DOI: 10.1002/smtd.202101255
3. Kang Q., Guo W. Biomimetic smart nanopores and nanochannels // Chemically Modified Nanopores and Nanochannels. 2017. P. 85–102. DOI: 10.1016/B978-0-323-40182-1.00004-X
4. Ouyang W., Han J. Universal amplification-free molecular diagnostics by billion-fold hierarchical nanofluidic concentration // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2019. Vol. 116, no. 33. P. 16240–16249. DOI: 10.1073/pnas.1904513116
5. Zhang X., Dou H., Chen X., Lin M., Dai Y., Xia F. Solidstate nanopore sensors with enhanced sensitivity through nucleic acid amplification // Analytical Chemistry. 2023. Vol. 95, no. 47. P. 17153–17161. DOI: 10.1021/acs.analchem.3c03806
6. Shi W., Friedman A.K., Baker L.A. Nanopore sensing // Analytical chemistry. 2017. Vol. 89, no. 1. P. 157–188. DOI: 10.1021/acs.analchem.6b04260
7. Sen P., Gupta M. Single nucleotide detection using bilayer MoS2 nanopores with high efficiency // RSC advances.
2021. Vol. 11, no. 11. P. 6114–6123. DOI: 10.1039/d0ra10222a
8. Yang H., Li Z., Si W., Lin K., Ma J., Li K., Sun L., Sha J., Chen Y. Identification of single nucleotides by a tiny charged solid-state nanopore // The Journal of Physical Chemistry B. 2018. Vol. 122, no. 32. P. 7929–7935. DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b06056
9. He Y., Tsutsui M., Zhou Y., Miao X.S. Solid-state nanopore systems: from materials to applications // NPG Asia Materials. 2021. Vol. 13, no. 1. Id. 48. DOI: 10.1038/s41427-021-00313-z
10. Goto Y., Akahori R., Yanagi I., Takeda K.I. Solid-state nanopores towards single-molecule DNA sequencing // J Hum Genet. 2020. Vol. 65, no 1. P. 69–77. DOI: 10.1038/s10038-019-0655-8
11. Deamer D., Akeson M., Branton D. Three decades of nanopore sequencing // Nature biotechnology. 2016. Vol. 34, no. 5. P. 518–524. DOI: 10.1038/nbt.3423
12. Lee K., Park K.B., Kim H.J., Yu J.S., Chae H., Kim H.M., Kim K.B. Recent progress in solid state nanopores // Advanced materials. 2018. Vol. 30, no. 42. Id. 1704680. DOI: 10.1002/adma.201704680
13. Asandei A., Di Muccio G., Schiopu I., Mereuta L., Dragomir I.S., Chinappi M., Luchian T. Nanopore-Based Protein Sequencing Using Biopores: Current Achievements and Open Challenges // Small Methods. 2020. Vol. 4, iss. 11. Id. 1900595. DOI: 10.1002/smtd.201900595
14. Hu R., Tong X., Zhao Q. Four aspects about solid-state nanopores for protein sensing: fabrication, sensitivity, selectivity, and durability // Advanced healthcare materials. 2020. Vol. 9, no. 17. Id. 2000933. DOI: 10.1002/adhm.202000933
15. Xue L., Yamazaki H., Ren R., Wanunu M., Ivanov A.P., Edel J.B. Solid-state nanopore sensors // Nature Reviews Materials. 2020. Vol. 5. P. 931–951. DOI: 10.1038/s41578-020-0229-6
16. Lebedev D., Malyshev G., Ryzhkov I., Mozharov A., Shugurov K., Sharov V., Panov M., Tumkin I., Afonicheva P., Evstrapov A., Bukatin A., Mukhin, I. Focused ion beam milling based formation of nanochannels in silicon-glass microfluidic chips for the study of ion transport. // Microfluidics and nanofluidics. 2021. Vol. 25. Id. 51. DOI: 10.1007/s10404-021-02450-x
17. Dekker C. Solid-state nanopores // Nature nanotechnology. 2007. Vol. 2, no. 4. P. 209–215. DOI: 10.1038/nnano.2007.27
18. Fologea D., Uplinger J., Thomas B., McNabb D.S., Li J. Slowing DNA translocation in a solid-state nanopore // Nano letters. 2005. Vol. 5, no. 9. P. 1734–1737. DOI: 10.1021/nl051063o
19. Plesa C., Kowalczyk S.W., Zinsmeester R., Grosberg A.Y., Rabin Y., Dekker C. Fast translocation of proteins through solid state nanopores // Nano letters. 2013. Vol. 13, no. 2. P. 658–663. DOI: 10.1021/nl3042678
20. Kawaguchi T., Tsutsui M., Murayama S., Leong I.W., Yokota K., Komoto Y., Taniguchi M. Enhanced Nanoparticle Sensing in a Highly Viscous Nanopore // Small Methods. 2024. Vol. 8, iss. 8. Id. 2301523. DOI: 10.1002/smtd.202301523
21. Yuan Z., Liu Y., Dai M., Yi X., Wang, C. Controlling DNA translocation through solid-state nanopores // Nanoscale research letters. 2020. Vol. 15. Id. 80. DOI: 10.1186/s11671-020-03308-x
22. Mini Analysis Program (RRID: SCR_002184). URL: https://scicrunch.org/resolver/SCR_002184 (дата обращения 28.07.2024).
23. Easy Electrophysiology makes patch-clamp analysis simple. URL: https://www.easyelectrophysiology.com/ (дата обращения 28.07.2024).
24. Advancing scientific discovery. URL: https://www.moleculardevices.com/ (дата обращения 28.07.2024).
25. Raillon C., Granjon P., Graf M., Steinbocka L.J., Radenovic A. Fast and automatic processing of multi-level events in nanopore translocation experiments // Nanoscale. 2012. Vol. 4, no. 16. P. 4916–4924. DOI: 10.1039/C2NR30951C
26. Forstater J.H., Briggs K., Robertson J.W.F., Ettedgui J., Marie-Rose O., Vaz C., Kasianowicz J.J., TabardCossa V., Balijepalli A. MOSAIC: A Modular Single Molecule Analysis Interface for Decoding Multi-state Nanopore Data // Analytical chemistry. 2016, Vol. 88, no. 23.
P. 11900–11907. DOI: 10.1021/acs.analchem.6b03725
27. Plesa C., Dekker C. Data analysis methods for solid-state nanopores // Nanotechnology. 2015. Vol. 26, no. 8. Id. 084003. DOI: 10.1088/0957-4484/26/8/084003
28. Tu J., Meng H., Wu L., Xi G., Fu J., Lu Z. EasyNanopore: a ready-to-use pocessing software for translocation events in nanopore translocation experiments // Langmuir. 2021. Vol. 37, iss. 33. P. 10177–10182. DOI: 10.1021/acs.langmuir.1c01597
29. Lebedev D.V., Vaulin N.V., Afonicheva P.K., Vorobyov A.A., Mozharov A.M., Sharov V.A., Mikhailovskii V.Yu., Kirilenko D.A., Permyakov D.V., Logunov L.S., Ivanov Yu.D., Ryzhkov I.I., Bukatin A.S., Evstrapov A.A., Makarov S.V., Mukhin I.S. Ultra-Low Intensity LightDriven Ionic Conductivity through a Plasmonic Nanopore // ACS Applied Nano Materials. 2024. Vol. 7, no. 14. P. 16172–16181. DOI: 10.1021/acsanm.4c02108
30. Savitzky A., Golay M.J.E. Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures // Analytical chemistry. 1964. Vol. 36, no. 8. P. 1627–1639. DOI: 10.1021/ac60214a047

Еще

Статья научная