DNA 通过固态纳米孔的数字解旋：基于碱基级挤压的理论研究

固态纳米孔 DNA 测序仪具有机械和化学稳定性、可重复使用性和大规模集成性，但由于缺乏控制 DNA 穿越的、无蛋白质机制的手段而受到限制，这在生物仿生体中是由运动蛋白实现的。本文提出并理论分析了一种基于在纳米孔边缘解旋双链 DNA 的蛋白质独立的挤压机制。当跨膜偏压超过特定阈值时，碱基对机械地解离，允许一个链进入孔内，而另一个链保持在上游。此解旋过程会减慢 DNA 运动，表明电压脉冲可以在外部定义的时间触发单个解旋事件，称为数字解旋。然而，固有的解旋壁垫不足以提供可靠离子电流读数的驻留时间；因此，需要另一种机制在电压脉冲之间固定 DNA。为克服这一限制，我们引入了通过 DNA 与带电纳米孔壁之间的静电吸引实现的可逆保持机制，该机制在解旋叉车抓住纳米孔边缘后暂时固定链。我们使用统计力学模型跟踪每个挤压循环中 DNA 位置的均值和方差的演化。针对相应错误概率的解析表达式表明，亚微秒级的保持机制开关可实现 <5% 错误率的碱基级步进。这些结果从理论上表明，数字解旋结合可逆保持机制可实现确定性的单碱基运动，从而为全固态纳米孔测序提供了可行路径。