納米孔檢測磁珠綁定DNA降速過程研究

孔德福

（東南大學機械工程學院，江蘇南京210000）

0 引言

自從1996年Kasianowicz[1]用電壓驅(qū)動的方式實現(xiàn)了α-血溶素通過生物孔，用納米孔作為傳感器分析DNA的序列已經(jīng)成為一個熱門的研究領(lǐng)域。

納米孔DNA測序方法原理是當DNA分子通過納米孔的時候，會造成納米孔的局部堵塞，從而實現(xiàn)過孔離子電流的變化，通過離子電流的變化得到過孔DNA序列的信息。但為了克服DNA的熵阻，要想驅(qū)動DNA就必須施加較大的電流，從而會導致DNA的過孔速度過快，使得DNA過孔的時間和空間分辨率降低，噪音增大。所以，降低DNA過孔速度是實現(xiàn)納米孔測定DNA序列的關(guān)鍵技術(shù)。將DNA綁到有孔小珠或磁珠上，通過光鑷或磁鑷控制小珠，能夠?qū)崿F(xiàn)DNA的降速；利用AFM或其他的納米級控制，也能夠達到降低DNA速率的效果。

本文探究了在磁珠綁定下DNA過孔電流和綁定斷裂的情況，在不同的電壓下得到了明顯的特征信號，據(jù)此研究了DNA和磁珠過孔的規(guī)律性。

1 實驗材料和方法

納米孔的加工是采用FIB在氮化硅薄膜上穿孔的方法[2]。納米孔的SEM圖像和純緩沖液下的離子電流如圖1（a）和圖1（b）所示。試驗中使用食人魚進行納米孔的清洗，使用等離子清洗機進行親水處理。

圖1 納米孔性能表征

磁珠基體為聚苯乙烯，外部修飾鏈霉親和素。實驗所用的DNA為λDNA，引物序列為P-5-GGGCGGCGACCTT-3-B，通過PCR擴增技術(shù)將引物修飾到DNA上，采用苯酚氯仿法提純DNA。離心后，留底部沉淀磁珠，重復三遍，去掉原磁珠脫落的鏈霉親和素及其他修飾物。加入DNA，將兩者混合，輕搖振動，靜置30 min，使綁定反應(yīng)發(fā)生。

實驗原理圖如圖2所示，采用左右液池，離子電極采用Ag/AgCl電極，連接兩個電極浸在緩沖液中，CIS和TRANS液池之間唯一的聯(lián)系就是納米孔。緩沖液用的是1.0 mol/L的KCl溶液，調(diào)節(jié)pH值為8。離子電流的采集使用Axon公司的膜片鉗放大器，其他裝置全部放在法拉第籠中。

圖2 工作原理圖

2 實驗結(jié)果與分析

在充分的混合、靜置下，DNA與鏈霉親和素結(jié)合，在電壓驅(qū)動下，DNA能夠穿過納米孔，而磁珠無法穿過。開始階段，DNA與磁珠通過布朗運動隨機運動，當進入電場捕獲區(qū)域時，DNA加速向納米孔運動，使得過孔事件發(fā)生。DNA與磁珠具有不同的運動趨勢，所以會導致綁定的DNA斷裂，成為游離態(tài)的DNA通過納米孔。每個過孔事件均具有相同的四個階段：（1）進入階段，電流急劇下降，DNA已經(jīng)進入納米孔；（2）彈性階段，由于磁珠相對于DNA來說，其速度遠遠小于DNA的運動速度，所以在DNA進入納米孔之后，與磁珠之間必定產(chǎn)生斷裂，鏈霉親和素-生物素之間的鏈接可以等效成彈性鏈接，在等效“彈簧”到達斷裂臨界點之前會有一個伸長過程，這個過程將導致DNA在納米孔中的停留時間增加，時間分辨率提高；（3）在到達彈性臨界點之后，隨即進入斷裂階段；（4）DNA通過納米孔，最后電流開始恢復。

圖3所示為不同電壓下過孔事件的個數(shù)。

圖3 不同電壓下過孔事件個數(shù)

實驗表明，隨著電壓的增大（100～700 mV），其他條件相同的情況下（緩沖液濃度均為1.0 mol/L，pH=8.0，溫度為室溫），過孔事件發(fā)生次數(shù)隨著電壓的增加而增加，呈現(xiàn)一定的線性趨勢，說明隨著電壓的增加，DNA通過納米孔的捕獲效率增加。該實驗現(xiàn)象可以用公式（1）[3]進行解釋：

式中，r*為電壓捕獲區(qū)域半徑（與納米孔的距離）；d為納米孔直徑；μ為DNA電泳遷移率；l為納米孔長度；D為DNA的擴散系數(shù)；ΔV為偏置電壓。

進而推出捕獲率與偏置電壓之間的關(guān)系，如公式（2）所示[3]：

由此可以看出，DNA的捕獲率與偏置電壓呈現(xiàn)線性關(guān)系。而磁珠綁定的DNA與之類似，當綁定著許多DNA的磁珠通過布朗運動進入捕獲區(qū)域時，DNA在電場的驅(qū)動下開始向納米孔運動，并最終通過納米孔。

3 結(jié)語

本文研究了DNA與鏈霉親和素修飾的磁珠綁定的情況，結(jié)果表明，DNA與磁珠實現(xiàn)了綁定，且隨著電壓的增大，磁珠綁定的DNA的捕獲率增大。

[1]KASIANOWICZ J J，BRANDIN E，BRANTON D.Characterization of individual polynucleotide molecules using a membrane channel [J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，1996(24):13770-13773.

[2]馬建，王欣，李堃，等.基于氮化硅薄膜納米孔制備及DNA分子檢測[J].東南大學學報（自然科學版），2017，47（2）：265-270.

[3]WANUNU M，MORRISON W，RABIN Y，et al.Electrostatic focusing of unlabelled DNA into nanoscale pores using a salt gradient[J].Nature Nanotechnology，2010，5(2)：160-165.