Rational Engineering of Nanopost Arrays for DNA Electrophoresis

DNA 电泳纳米柱阵列的合理工程

基本信息

  • 批准号:
    8018171
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 28.38万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2010
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2010-02-01 至 2013-01-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): Nanofluidic DNA separation media promise to reduce the time required to resolve long DNA (> 20 kbp) by size from days to minutes. Amongst these new media, the most promising and well-developed are "artificial gels" formed by arrays of cylindrical posts. However, the translation of nanofluidic devices from the proof-of-principle stage into routine use in biology and medicine has been hampered by an absence of engineering analyses that relate the device design to its performance. The long-term goal of this research program is to develop, from a systematic and quantitative basis, DNA electrophoresis devices whose geometries are specifically designed to separate a given DNA size-range. The objective of this particular application is to engineer nanopost arrays for sep- arating long DNA. To accomplish this goal, Brownian dynamics simulations will be used to design the devices, single-molecule videomicroscopy will be used to validate the simulations, and analytical separation experiments will be used to evaluate the device performance. Preliminary results, based on this approach, contradict the con- ventional wisdom that the posts need to be closely spaced or randomly distributed to ensure frequent collisions with the DNA. Rather, these preliminary data indicate that sparse ordered arrays have the potential to greatly increase the separation power of nanopost separation media. Based upon this insight, the research is plan is divided into four specific aims: Specific Aim 1: Demonstrate, via experiments, long DNA separations in a sparse hexagonal nanopost array; Specific Aim 2: Develop a quantitative simulation model and validate it with the latter experiments; Specific Aim 3: Use this simulation model and further experiments to evaluate a non-hexagonal array geometry; Specific Aim 4: Engineer the most promising geometry to size a relevant genomic sample. This research is significant because it will lead to improvements in the analysis of genomes. Although second- generation sequencers may ultimately prove to be the most suitable method for re-sequencing projects, DNA fingerprinting and physical mapping will remain important for the assembly of unknown genomes and low- cost screening applications. The devices produced by this research will impact genome analysis by providing optimized systems for sizing DNA in the range relevant for restriction digests of BAC clones. This work is innovative because it counters the current trend in nanofluidic devices towards dense arrays for DNA separations. The research takes advantage of a synergistic combination of focused experimentation and systematic simulation studies, a design approach which has not been employed thus far. Taken as a whole, this research program will impact the larger field of biomedical microfluidics and nanofluidics by providing a systematic engineering framework for translating DNA electrophoresis devices from the proof-of-principle stage to optimized devices. PUBLIC HEALTH RELEVANCE: The proposed work will lead to improved nanoscale systems for rapid and high-resolution separations of long DNA. These devices will accelerate a number of key genomics applications, such as DNA fingerprinting of infec- tious organisms and genome assembly.
描述(由申请人提供):纳米流体DNA分离介质承诺将分解长DNA(>20kBP)所需的时间从几天减少到几分钟。在这些新的媒体中,最有希望和发展得最好的是由圆柱形柱子阵列形成的“人造凝胶”。然而,由于缺乏将设备设计与其性能联系起来的工程分析,纳米流体设备从原理验证阶段转化为生物和医学中的常规用途一直受到阻碍。这项研究计划的长期目标是从系统和定量的基础上开发DNA电泳设备,其几何形状是专门设计来分离给定DNA大小范围的。这一特殊应用的目的是设计纳米成本阵列以分离长DNA。为了实现这一目标,将使用布朗动力学模拟来设计器件,将使用单分子视频显微镜来验证模拟,并将使用分析分离实验来评估器件的性能。基于这种方法的初步结果与传统智慧相矛盾,即柱子需要紧密间隔或随机分布,以确保与DNA频繁碰撞。相反,这些初步数据表明,稀疏有序阵列有可能极大地提高纳米成本分离介质的分离能力。基于这一认识,本研究计划分为四个具体目标:具体目标1:通过实验演示稀疏六角纳米成本阵列中的长DNA分离;具体目标2:开发一个定量模拟模型并用后面的实验验证它;具体目标3:使用该模拟模型和进一步的实验来评估非六角阵列的几何结构;具体目标4:设计最有希望的几何结构来确定相关基因组样本的大小。这项研究意义重大,因为它将导致基因组分析的改进。虽然第二代测序仪最终可能被证明是最适合重新测序的方法,但DNA指纹和物理图谱对于未知基因组的组装和低成本的筛选应用仍将是重要的。这项研究生产的设备将通过提供优化的系统,在与BAC克隆的限制酶相关的范围内确定DNA的大小,从而影响基因组分析。这项工作具有创新性,因为它与当前纳米流体设备向密集阵列DNA分离的趋势背道而驰。这项研究利用了集中实验和系统模拟研究的协同组合,这是一种到目前为止还没有采用的设计方法。作为一个整体,这项研究计划将通过提供一个系统工程框架,将DNA电泳设备从原理验证阶段转换到优化设备,从而影响更大的生物医学微流体和纳米流体领域。 与公共卫生相关:拟议的工作将导致改进的纳米级系统,用于快速和高分辨率分离长DNA。这些设备将加速一些关键的基因组学应用,如感染生物的DNA指纹和基因组组装。

项目成果

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