基于石墨烯纳米孔器件的DNA单分子探测研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51272007
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    79.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0203.碳素材料与超硬材料
  • 结题年份:
    2016
  • 批准年份:
    2012
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2013-01-01 至2016-12-31

项目摘要

Single-molecule detection based on nanopores has attracted intensive research interest in interdisciplinary field because they can realize biomolecule structure measurement on single-molecule level. DNA sequencing based on solid-state nanopores has become one of the most promising candidates in future third generation rapid and cost-effective gene sequencing research, which aims to fulfill one person genome sequencing in 24 hours by less than 1000 US dollars. There are two main challenges remaining in this field: one is the supporting membrane for nanopores is too thick to read single base level (low spatial resolution); second is that DNA translocation speed through nanopores is too fast to reach the device detection limit (low time resolution).In this project, we combine graphene and nanopore together to make graphene nanopores. Taking advange of the ultrathin single atomic layer thickness of graphene, plus its excellent mechanical and electric properties, spatial resolution of DNA single-molecule detection based on graphene nanopores can be greatly improved. More importantly, we are going to innovatively introduce pressure as counter flow field to slow down the speed of DNA translocation through nanopores. In this way, time resolution of DNA detection based on graphene nanopores can be enhanced significantly as well. Counter pressure flow will effectively decrease the total force on DNA in nanopore, thus it can effectively adjust the translocation speed of DNA inside nanopores. By reasonably tuning the electric field and pressure counter flow field, DNA single-molecule detection, trap, recapture or even manupilation should be realized, which is extremely important for future DNA sequencing applications.
纳米孔由于其可以在单分子量级上实现对生物分子结构的测量,引发了前沿交叉领域极大的关注与科研热情。基于固态纳米孔的DNA测序成为目前国际第三代基因测序仪(旨在24小时之内用1000美金完成对人体基因测序)研制中最有力的竞争者之一,成为国际上基础研究和应用探索的热点。目前此领域存在的最重要的两大问题是:纳米孔支撑膜过厚(空间分辨率过低)和DNA分子穿孔速度过快(时间分辨率过低)。本项目巧妙地将石墨烯与纳米孔结合起来,利用石墨烯超薄的单原子层厚度,优异的力学和电学性能大大提高基于石墨烯纳米孔对DNA进行单分子探测的空间分辨率。在此基础上,创新性的引入反向压强作为减速力场,用于减慢DNA穿过纳米孔的速度,从而大幅提高基于固态纳米孔DNA单分子探测的时间分辨率。通过调节电场与压强场的大小,预期可以实现对DNA的单分子探测,捕获,操控,为最终实现基于石墨烯纳米孔的基因测序打下坚实的基础。

结项摘要

纳米孔由于其可以在单分子量级上实现对生物分子结构的测量,引发了前沿交叉领域极大的关注与科研热情。基于固态纳米孔的DNA测序成为目前国际第三代基因测序仪(旨在24小时之内用1000美金完成对人体基因测序)研制中最有力的竞争者之一,成为国际上基础研究和应用探索的热点。目前此领域存在的最重要的两大问题是:纳米孔支撑膜过厚(空间分辨率过低)和DNA分子穿孔速度过快(时间分辨率过低)。利用本项目的顺利实施建立了固态纳米孔传感器单分子检测实验研究平台;发展了一整套可控精确加工纳米孔传感器的方法;自主制备的纳米孔传感器可顺利完成超过一万次的DNA单分子探测(达到国际领先水平);并在纳米孔几何构型控制与DNA受力模拟方面取得系列进展。针对纳米孔探测空间分辨率低这一难题,发明了一套快速、高效、精确制备超薄二维原子层材料纳米孔传感器的新方法,首次提出并实现了超薄氮化硼纳米孔传感器对DNA的单分子检测,达到国际最高空间分辨率,受到国内外同行与网站广泛关注。针对纳米孔探测时间分辨率低这一难题,提出将压强引入到纳米孔中来实现驱动力与信号读取彻底分离的新方法,有效减慢了DNA穿孔速度,大幅提高探测时间分辨率3个数量级,并首次利用纳米孔传感器实现了对中性分子的单分子探测以及长度差仅为600个碱基对的不同长度DNA分辨,显著扩展了纳米孔生物传感器的探测应用范围。已授权的4项发明专利直接针对三代测序产业的具体应用,其中与哈佛大学共同申请的国际专利已许可给目前国际上最大的第三代测序仪研究公司-牛津纳米孔集团进行有偿使用。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Gel mesh as "brake" to slow down DNA translocation through solid-state nanopores
凝胶网作为“制动器”减缓 DNA 通过固态纳米孔的易位
  • DOI:
    10.1039/c5nr03084f
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Nanoscale
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Tang Zhipeng;Liang Zexi;Lu Bo;Li Ji;Hu Rui;Zhao Qing;Yu Dapeng
  • 通讯作者:
    Yu Dapeng
Interaction prolonged DNA translocation through solid-state nanopores
相互作用延长了 DNA 通过固态纳米孔的易位
  • DOI:
    10.1039/c5nr01954k
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Nanoscale
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Liang Zexi;Tang Zhipeng;Li Ji;Hu Rui;Yu Dapeng;Zhao Qing
  • 通讯作者:
    Zhao Qing
Slowing Down DNA Translocation Through Solid-State Nanopores by Pressure
通过压力减缓 DNA 通过固态纳米孔的易位
  • DOI:
    10.1002/smll.201301263
  • 发表时间:
    2013-12-20
  • 期刊:
    SMALL
  • 影响因子:
    13.3
  • 作者:
    Zhang, Hengbin;Zhao, Qing;Yu, Dapeng
  • 通讯作者:
    Yu, Dapeng
Non-sticky translocation of bio-molecules through Tween 20-coated solid-state nanopores in a wide pH range
在较宽的 pH 范围内,生物分子通过 Tween 20 涂层的固态纳米孔进行非粘性易位
  • DOI:
    10.1063/1.4964117
  • 发表时间:
    2016-10-03
  • 期刊:
    APPLIED PHYSICS LETTERS
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Li, Xiaoqing;Hu, Rui;Zhao, Qing
  • 通讯作者:
    Zhao, Qing
Solid-state nanopore-based DNA single molecule detection and sequencing
基于固态纳米孔的DNA单分子检测和测序
  • DOI:
    10.1007/s00604-015-1542-4
  • 发表时间:
    2016-03
  • 期刊:
    Microchimica Acta
  • 影响因子:
    5.7
  • 作者:
    Li Ji;Yu Dapeng;Zhao Qing
  • 通讯作者:
    Zhao Qing

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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