二维固态纳米孔DNA测序的计算模拟

Solid-state nanopores fabricated from two-dimensional materials such as MoS2 and graphene have been extensively studied by researchers due to their unique mechanical and electrical properties. It is believed to have promising applications in DNA sequencing. Understanding the factors to affect the DNA sequencing resolution by nanopore is very important but unclear. In this study, multi-scale modeling methods were used to study the DNA sequencing by MoS2 nanopores. Firstly, the model of MoS2 nanopore was constructed based on parameters of MoS2 calculated by quantum chemistry. Secondly, the effects of structure and geometry of MoS2 nanopore to the DNA sequence were studied by all-atomic molecular dynamics simulation. Thirdly，the more large scale nanopore and DNA strand (>100 bases) will be constructed by coarse grain model. At last, other methods to measure the DNA sequencing by nanopore will be also explored in our study. The research could be helpful to understand the DNA sequencing by nanopore deeper. It could help us to design the nanopore for DNA sequencing more effective.

二维固态纳米孔由于其特有的力学以及电学性质，而受到研究人员极大的关注。其中由二硫化钼以及石墨烯等二维材料制备而来的纳米孔在DNA测序方面有极大的潜在应用价值。但是，其目前仍然停留在理论和实验阶段，还存在许多技术瓶颈，不能广泛应用，这就迫切地需要除了实验手段以外的其他方法去研究第三代测序方法。 本项目通过多尺度模拟的方法，可以使我们更深更好的理解二硫化钼纳米孔DNA测序的整个过程。首先，我们将使用量子化学的方法计算二硫化钼纳米孔的原子的力场参数；次之，我们通过全原子分子动力学方法研究二硫化钼纳米孔边缘原子以及结构对于DNA测序的影响；再次，为了更加贴近真实体系，我们用粗粒度的方法构建尺度更加大的纳米孔以及DNA模型；最后，我们还将探索纳米孔DNA测序的其他方法。多尺度的模拟方法通过不同尺度上DNA分子在纳米孔道中的转运过程研究，将极大地加深我们对DNA分子在纳米孔中测序过程的理解。

在本项目中，我们发展了DNA纳米孔测序多尺度的分子动力学（molecular dynamics, MD）模拟方法，通过量子化学、全原子分子动力学、粗粒度化方法研究孔材料的大小、孔材料的厚度、溶液的浓度、pH以及外加电场等变化对于纳米孔DNA测序的影响。综合利用量子力学计算（quantum mechanics calculation）、分子动力学模拟（molecular dynamics simulation）、粗粒化分子动力学模拟（coarse-grained molecular dynamics simulation）等方法，对（1）DNA分子在MoS2纳米孔测序表面的吸附过程以及其在孔道中的转运过程；（2）β-淀粉样多肽分子自组装的机理；（3）离子、DNA、药物在碳纳米管及石墨烯孔道中传递的分子机理；（4）碳纳米管，硼氮管海水淡化能力的理论研究；（5）石墨烯量子点及C60等纳米材料的跨膜传递等研究体系的热力学及动力学特征、分子间相互作用力、吸附、组装和传递机理等进行了多个时间尺度及空间尺度的研究，从而在原子及分子层面，深刻地理解了水分子以及DNA分子在孔道中的相互作用和转运过程。