用于快速 DNA 测序的功能化纳米孔嵌入电极

原则上，测定患者的 DNA 序列可以揭示患特定疾病的风险增加 [1,2]，并有助于设计“个性化医疗”[3]。此外，对大量个体进行统计研究和基因组比较 [4] 对于分析突变 [5] 和遗传性疾病至关重要，从而为预防医学 [6] 铺平道路。然而，目前的 DNA 测序仍然是一项极其耗时且昂贵的任务 [4]，包括预处理步骤、使用 Sanger 法进行实际测序以及以数据分析形式进行的后处理 [7]。在此，我们提出了一种新方法，该方法依赖于功能化纳米孔嵌入电极，以在 DNA 测序过程中明确区分四种核酸碱基。这代表了相对于先前研究的设计 [8,9] 的重大改进，后者无法可靠地区分 DNA 的所有四种碱基。我们利用最先进的密度泛函理论结合非平衡格林函数方法研究了该装置的输运性质，结果表明不同碱基产生的电流响应至少相差一个数量级，从而能够提供更加稳健的碱基序列读取。实施我们提出的装置有望形成一种可行的快速 DNA 测序方案，这对基因组相关研究的未来乃至整体医疗保健都将产生重大影响。