عنوان پایان‌نامه
مطالعه عبور DNA تک زنجیره از نانو حفره گرافن با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی با نیروی هدایت شده
- رشته تحصیلی
- شیمی فیزیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس علوم شماره ثبت: 5568;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 66108
- تاریخ دفاع
- ۲۶ شهریور ۱۳۹۳
- دانشجو
- وحید ستاری فرد
- استاد راهنما
- معصومه فروتن
- چکیده
- توالی یابی DNA با هزینه کم و سرعت بالا یکی از نیازهای ضروری علم پزشکی بوده و درک ما را از وراثت، فاکتورهای ژنتیکی و تکامل افزایش می دهد. روش های بر پایه فناوری نانوحفرات، یکی از بحث برانگیزترین رویکردها در توالی یابی DNA محسوب می شوند و غشای گرافنی یکی از بهترین کاندیدها برای ساخت نانوحفرات به حساب می آید. روش های فوق به عنوان روش-های بدون برچسب و بدون نیاز به تقویت در نظر گرفته می شوند و امکان ثبت سیگنال در لحظه را فراهم می سازند. برای بررسی قابلیت حفره گرافنی برای توالی یابی DNA اخیرا مطالعات تجربی، شبیه سازی دینامیک مولکولی و مطالعات کوانتومی انجام گرفته است. در این پژوهش، تاثیر شکل حفره های با تقارن محوری و بدون تقارن چندین غشای گرافنی تک لایه و نیز یک غشای پنج لایه گرافنی با شکل دهانه ی چند وجهی، بر دینامیک عبور مولکول DNA تک رشته با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی هدایتی مورد بررسی قرار گرفته است. مساحت حفره های به کار رفته برابر با (0.786، 0.835و 0.933) nm2 بودند. شبیه سازی های دینامیک مولکولی هدایتی در سرعت های ثابت (5 و10) ا/ns و ثابت نیروی فنر 1000 pN/ا انجام شدند. جهت انجام تمام شبیه سازی ها پارامترهای میدان نیروی CHARMM27 برای DNA تک رشته و گرافن و برای آب مدل TIP3P مورد استفاده قرار گرفت. با استفاده از نتایج شبیه سازی ها اثرات شکل حفره بر مواردی شامل الف- پروفایل نیروی کششی برحسب زمان در سرعت ثابت، ب- تغییرات موقعیت اتم هدایت شده، ج- کار انجام شده در فرآیند کششی برگشت ناپذیر DNA و د- جهت گیری بازهای DNA در نزدیکی حفره های گرافنی، برای چهار نوکلئوتید تشکیل دهنده DNA یعنی آدنین، گوانین، سیتوزین و تیمین، بررسی شدند. نتایج شبیه سازی ها نشان دادند که شکل حفره و اندازه آن تاثیر بسیار زیادی در پروفایل های نیرو در فرآیند کششی DNA از حفره گرافنی دارد. همچنین نتایج نشان دادند کجی صفحه مولکولی بازها نسبت به صفحه گرافنی در فواصل نزدیک نانوحفره و قبل از عبور از نانوحفره، بیشترین نقش را در تغییرات کنفورماسیونی DNA ایفا می کنند. نتایج پروفایل نیروی کششی در سرعت کشش بالا برای عبور نوکلئوتید ها از درون حفرات متقارن دایره ای شکل و تک لایه گرافن، نتایج مطلوب تری را برای شناسایی نوکلئوتید های مختلف بدست می دهد که به علت جهت گیری مناسب بازها در حین عبور می باشد. با تکرار فرآیند کششی از درون نانوحفره متقارن و با استفاده از پروفایل های نیرو، آدنین و گوانین قابل شناسایی هستند اما سیتوزین و تیمین هنوز غیرقابل تمیز باقی می مانند. کلمات کلیدی: نانوحفره گرافنی، توالی یابی DNA، شبیه سازی دینامیک مولکولی هدایتی
- Abstract
- DNA sequencing by cheaper and faster techniques has an emerging role in therapeutics and personalized medicine. Furthermore it can help to improve our perception of inheritance, genetic risk factors, diseases and evolutionary biology. Nanopore-based DNA sequencing is one of the controversial approaches and among the numerous host materials for fabricating nanopores, the graphene membrane is one of the best candidates. Nanopore sensors for nucleic acid analysis are free label, free amplification and real-time. To assess the merit of graphene apertures for DNA sequencing, several groups have been reported experimental works, MD simulations as well as first-principle-based studies. In this study, we investigated the effects of axially symmetric and asymmetric pore shapes, as well as 5 layers graphene polyhedral crystal shape of nanopore on DNA translocation through subnanometric graphene pore by steered molecular dynamics simulation. Pores areas were (0.786, 0.835 and 0.933) nm2. In each simulation, the ssDNA was pulled at a constant velocity of 5/ns as well as 10 /ns, and a spring constant of 1000 pN/. CHARMM27 force field and TIP3P model were used for modeling of DNA, graphene and water molecules, respectively. The pulling force profile, moving fashion of ssDNA, work done in irreversible DNA pulling and orientations of DNA bases near the nanopore were assessed to show that how effective is grapheme nanopore geometry on DNA sequencing. The results showed the high impact of shape and size of nanopore on the pulling force profiles during pulling procedure. The obtained results for orientations of the ssDNA bases near the pores illustrated the large impact of tilt of molecular plan on conformational change during translocation. The obtained results indicated that the pulling force profiles at high pulling velocity for translocation of purine and pyrimidine bases through symmetric circular nanopore and monolayer graphene can be used for characterizing and identifying bases. Moreover, by repeating pulling procedure and using force profiles, adenine and guanine can be identified but cytosine and thymine still remain indistinguishable. Keyword: Graphene nanopore, DNA sequencing, Steered molecular dynamics simulation.
