پیشرفت های اخیر در زمینه شبیه سازی اتمی در توالی یابی DNA با جریان الکتریکی
چکیده
ما به بررسی پیشرفت های اخیر در زمینه توالی یابی DNA بر اساس اندازه گیری جریان الکتریکی عرضی پرداختیم. پیکربندی های دستگاه ارائه شده در ادبیات با توجه به ظهور انگشت نگاره مولکولی به صورت سیگنال های جریان عمده (حالت I) و یا آشفته (حالت II) طبقه بندی می شوند. پیکربندی میکروسکوپ تونل زنی روبشی و شکاف الکترود تونل زنی به حالت اول تعلق داشته حال آنکه نانوکانال های دارای نانوحفره جاسازی شده و یا فاقد آن به رده بندی حالت دوم تعلق دارند. مکانیزم های حسگری مولکولی حالت اول و دوم تقریباً به ترتیب با تونل زنی الکترونی و دریچه گذاری الکتروشیمیایی مطابقت دارند. تاکید ویژه ای معطوف مطالعات شبیه سازی کامپیوتری می گردد که نقش مهمی در پیدایش و گسترش این رشته داشته است. هم چنین ما بر نانومواد ابعاد پایین مانند: نانولوله های کربنی، گرافن و نانوروبان های گرافنی تاکید نمودیم که رویکرد جدید حالت دوم را امکان پذیر می نماید. در نهایت، مسائل متعددی در مطالعات محاسباتی پیشین مورد بحث قرار گرفته اند، که به جهت گیری های تحقیقاتی آتی در راستای شبیه سازی قابل اطمینان تر دستگاه های توالی یابی DNA با جریان الکتریکی اشاره می نماید.
1. مقدمه
توالی یابی DNA نه تنها دارای پیامدهای علمی قابل توجهی در زمینه رمزگشایی کدهای اساسی زندگی بلکه بیانگر مجال بسیاری در بهبود رفاه نوع بشر با طلوع عصر جدیدی در طب شخصی و یا دقیق است (ماردیس، 2011؛ ربانی و همکاران، 2014). یک دهه پس از اتمام پروژه ژنوم انسانی در سال 2003، اینک تلاش ها مصروف توسعه نسل بعدی فناوری توالی یابی DNA گشته است که هدف گذاری ژنوم 1000$ موسسه ملی بهداشت را محقق نماید. در این راستا، برخلاف نسل دوم فناوری های توالی یابی DNA که هنوز مستلزم تکثیر واکنش زنجیره ای پلیمراز و نشانگذاری فلورسنت به مانند نسل اول آن است، فناوری های نوظهور نسل سوم توالی یابی DNA نوظهور، شناسایی مولکول بر اساس تغییر جریان را پیشنهاد می کنند.
Abstract
We review recent advances in the DNA sequencing method based on measurements of transverse electrical currents. Device configurations proposed in the literature are classified according to whether the molecular fingerprints appear as the major (Mode I) or perturbing (Mode II) current signals. Scanning tunneling microscope and tunneling electrode gap configurations belong to the former category, while the nanochannels with or without an embedded nanopore belong to the latter. The molecular sensing mechanisms of Modes I and II roughly correspond to the electron tunneling and electrochemical gating, respectively. Special emphasis will be given on the computer simulation studies, which have been playing a critical role in the initiation and development of the field. We also highlight low-dimensional nanomaterials such as carbon nanotubes, graphene, and graphene nanoribbons that allow the novel Mode II approach. Finally, several issues in previous computational studies are discussed, which points to future research directions toward more reliable simulation of electrical current DNA sequencing devices.
1. Introduction
The sequencing of DNA not only has significant scientific implications in the context of deciphering the fundamental code of life but also represents an enormous opportunity to improve the well-being of humankind by ushering in a new era of personal or precision medicine (Mardis, 2011; Shendure and Aiden, 2012; Rabbani et al., 2014). A decade after the completion of the Human Genome Project in 2003, effort is now devoted into the development of next-generation DNA sequencing technologies that can meet the ‘$1000 genome’ goal set by National Institute of Health. In this endeavor, in contrast to the second-generation DNA sequencing technologies that still require polymerase chain reaction amplification and fluorescent labeling as in the first-generation counterpart, the newly-emerged third-generation DNA sequencing technologies propose single molecule detection based on changes in ionic or electrical currents.
چکیده
1. مقدمه
2. پس زمینه شبیه سازی توالی یابی DNA با جریان الکتریکی
2.1. عدم توازن نظریه تابع گرین در انتقال کوانتومی
2.2. کاربرد جریان الکتریکی در توالی یابی DNA
2.3. مواد الکترود و یا کانال
3. توالی یابی DNA بر اساس الکترودهای فلزی
4. توالی یابی DNA بر اساس نانولوله های کربنی
4.1. حالت I-B مبتنی بر الکترودهای نانولوله کربنی
4.2. حالات دیگر مبتنی بر الکترودهای نانولوله کربنی
5. توالی یابی DNA بر اساس گرافن و نانوروبان
5.1. حالت I مبتنی بر الکترودهای گرافنی و نانوروبان گرافنی
5.2. حالت II مبتنی بر گرافن و نانوروبان گرافنی
6. توالی یابی DNA بر اساس سایر مواد دوبعدی و ساختارهای ناهمگن واندروالس آن ها
7. موضوعات مربوط به مطالعات محاسباتی
8. چشم انداز
قدردانی
منابع
Abstract
1. Introduction
2. Background of electrical-current DNA sequencing simulations
2.1. Non-equilibrium Green’s function theory for quantum transport
2.2. Applications of electrical currents to DNA sequencing
2.3. Novel low-dimensional electrode materials
3. DNA sequencing based on metal electrodes
4. DNA sequencing based on carbon nanotubes
4.1. Mode I-B based on carbon nanotube electrodes
4.2. Other modes based on carbon nanotube electrodes
5. DNA sequencing based on graphene and graphene nanoribbons
5.1. Mode I based on graphene and graphene nanoribbon electrodes
5.2. Mode II based on graphene and graphene nanoribbons
6. DNA sequencing based on other 2D materials and their van der Waals heterostructures
7. Issues in computational studies
8. Outlook
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه