复合纳米孔器件的研制及其稳定性研究

Based on the fabrication electrode-embedded nanopore devices, the bilayer lipid membrane will be assembled on the silicon surface and the bio-nanopore molecular will be inserted into the bilayer. Therefore, a high stability Hybrid-nanopore device will be fabricated. The behaviors of DNA can be controlled by the mutation of MspA protein and the feedback control of the voltage between two lateral nano-electrodes for nucleic acid bases detecting. Compared to current techniques, sequencing system proposed in this projects will have advantages including wider molecular sequencing signal dimension, controllable translocation speed, less consuming of reagents, and low cost, which provide a sound basis for practical solid state nanopore sequencing. This progress would promote the development of functional genomics, individual medicine, and individual pharmacy; and on the other hand, provide a new platform for label free detection of biological molecular, biochemistry and biophysics.

本项目基于集成孔内纳米电极的固态纳米孔器件，在固态纳米孔中以分子组装技术构建表面磷脂双分子层结构，并在其表面插入生物纳米孔，构建一个高度稳定，可重复的复合纳米孔检测器件。通过横向纳米电极反馈控制技术，使得单链核酸分子能够在受控的情况下通过MspA纳米孔而实现核酸碱基检测。与现有的技术相比，本课题提出的测序系统将具有分子测序信号维度广、速度可控和试剂消耗少、运行成本低的特点，可实现DNA 序列的直接测定，为研制实用的全固态DNA 纳米孔测序仪奠定基础；同时将推动功能基因组学、个体化医学以及个体化药学的发展。

纳米孔技术发展至今已经成为一种有力的快速非标记单分子检测技术，本项目将对其原理模型、动力学以及进一步的优化和应用进行系统性的研究。本项目首先建立了一套包括计算模型、纳米器件模型、DNA易位的电路模型等在内的完善的纳米孔检测数学模型，其次先后探索了λ-DNA、金纳米颗粒、DNA结合体及烟草花叶病毒通过固态纳米孔的动态学行为及其信号特征，并解释了目标分析物的表面电荷、形态改变、与孔壁的相互作用以及过孔时的偏摆对纳米孔电流信号的影响，结果表明在纳米孔测序中，DNA分子的自然构象、易位角度、与纳米孔孔壁的相互作用及在孔内的无规则摆动都需要一定方法来克服。在已有的纳米孔测序系统基础上，提出并研究了在固态纳米孔表面以分子组装技术构建磷脂双分子层并插入生物纳米孔的复合孔系统，可以有效提高生物纳米孔稳定性，该测序系统具有分子测序信号维度广、速度可控和试剂消耗少、运行成本低的特点，可实现 DNA 序列的直接测定，为研制实用的全固态 DNA 纳米孔测序仪奠定基础。最后，本项目利用固态纳米孔实现了单分子分辨率的辣根过氧化物酶蛋白检测以及酶反应检测，发现酶分子易位时间随着电压的升高而减小，相同大小的酶分子在较小的空间内通过时造成的变化相对较大。本项目系统解释了检测分析物在纳米孔中的分子动力学行为，为优化纳米孔检测系统提供了一种新的思路，为以后的单分子检测研究以及应用奠定了基础。