DNA单分子穿越内径<10nm纳米通道机制的实时可视化研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61378083
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    94.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0511.生物、医学光学与光子学
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2013
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2014-01-01 至2017-12-31

项目摘要

To clearly understand the detailed mechanism of DNA molecule transporting through the nanochannel with diameter less than 10nm under external electric fields has an important practical value and scientific significance for accomplishing the ultra-fast nanopore DNA (whole genome) sequencing technology, the high integration of nano-biochemical sensor and analyzer, and Lab-on-a-chip technology. In this project, a microsecond pulse switch and a constant voltage DC source with microvolt precision and self-made micro-nanofluidic system will be used to induce single DNA molecule into the functional nanochannels which have different shapes, e.g., curved "S", inner diameter gradually changed "wedge", long and thin "straight line". The lengths of these non-straight shape channels are bout 0.5~1mm, and the smallest inner diameter is about 2nm. The lengths of these continuous smooth straight channels are more than 10mm and their inner diameters are not more than 10nm. Then, combined with the single molecule fluorescence imaging technology, EMCCD and a micro current meter with femto-ampere precision, the single DNA molecule movement velocity and conformational changes as it moving along these nanochannels will be real-time visual monitored. And then, the non continuous flow theory is employed to analyze the factors such as the overlapping electrical double layer and van der Waals force and PH value of solution and size of nanochannel which influence the DNA molecule biophysics and dynamics properties when DNA passing through the nanochannel. Eventually, the mechanism of DNA molecule transporting through the nanochannels with diameter about 2nm to 10nm will be explained in detail.
清楚理解DNA分子在外电场作用下,穿越内径<10nm纳米通道的详细机理,对于实现DNA分子(全基因组)纳米孔超快测序,实现纳米生化传感器、分析器、生物芯片实验室的高度集成和实用化等有重要的实际价值和科学意义。本项目利用微秒精度脉冲开关、微伏精度恒压直流源,结合自行研制的微纳流控系统,有效引导DNA单分子匀速穿越长度0.5~1mm、内径最小~2nm的具有不同形状与功能的弯曲"S形"、内径渐变"楔形"纳米通道,以及内径2~10nm、长度>10mm的连续光滑"直线形"纳米通道等;并结合单分子荧光成像技术、EMCCD和飞安级精度微电流测试仪等技术实时可视化监测DNA分子穿越通道时其运动速度、构象变化等规律;再结合非连续流理论分析重叠电双层、范德瓦尔斯力、溶液PH值、通道内径大小等因素对DNA分子生物物理性质、动力学性质改变的影响,阐明DNA分子穿越内径<10nm至~2nm纳米通道的详细机制。

结项摘要

清楚理解DNA分子在外电场作用下,穿越微米、纳米通道(内径可<10nm)的详细机理,对于实现DNA分子(全基因组)纳米孔超快测序,实现纳米生化传感器、分析器、生物芯片实验室的高度集成和实用化等有重要的实际价值和科学意义。本项目利用微秒精度脉冲开关、微伏精度恒压直流源,结合自行研制的微纳流控系统,有效引导DNA单分子匀速穿越长度0.5~1mm、内径最小~2nm的具有不同形状与功能的弯曲"S形"、内径渐变"楔形"纳米通道,以及内径2~10nm、长度>10mm的连续光滑"直线形"纳米通道等;并结合单分子荧光成像技术、EMCCD和飞安级精度微电流测试仪等技术实时可视化监测DNA分子穿越通道时其运动速度、构象变化等规律,再结合非连续流理论分析重叠电双层、范德瓦尔斯力、溶液PH值、通道内径大小等因素对DNA分子生物物理性质、动力学性质改变的影响。本课题系统研究了特征电流信号与通道大小、缓冲液浓度、Ph值、样品种类、DNA分子长度、以及外加电场矢量特性等因素的对应关系;在此基础上,还发现了几种新现象:非连续电场力作用下,DNA分子穿越微通道时,电流的时间特性曲线有6种,统计分析表明所有正向的电流响应出现的概率大于相对应的负向电流响应;当辅助电极有效面积大于工作电极时,电流响应随外加电压的增加由负向反转到正向,该现象是由电极表面电荷积累产生的屏蔽场与外加电场之间的竞争效应引起的;DNA分子穿越微纳通道时的运动方向也存在反转现象,即,当外加电场小于阈值电场时,DNA分子在通道内的运动方向与电场方向一致,而当外加电场大于阈值电场时,其运动方向与电场方向相反。这些新现象及其机制,对于阐明DNA分子穿越微纳米通道的详细机制具有重要意义,而且,对于微纳流控芯片以及生物传感器的微型化、精确化具有实际应用价值,能用于精准操纵生物单分子,进而揭示生物大分子、药物分子之间作用机理。

项目成果

期刊论文数量(20)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
基于AAO的CuCl_2纳米花瓣状薄膜的发光特性研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    应用光学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    任军营;王凯歌;魏洪铎;武建国;武青青;巴汉卿;白晋涛
  • 通讯作者:
    白晋涛
高数值孔径系统多重初级像差对高斯光束的影响(英文)
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李红福;解慧明;张琛;王凯歌;王爽;贺庆丽;白晋涛
  • 通讯作者:
    白晋涛
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基于纳米多孔 AAO 的复合多层基底的 SERS 活性十倍检测限优化
  • DOI:
    10.1039/c5nr06771e
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Nanoscale
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Sui Chaofan;Wang Kaige;Wang Shuang;Ren Junying;Bai Xiaohong;Bai Jintao
  • 通讯作者:
    Bai Jintao
Growth AlxGa1-xN films on Si substrates by magnetron sputtering and high ammoniated two-step method
磁控溅射和高氨化两步法在Si衬底上生长AlxGa1-xN薄膜
  • DOI:
    10.1016/j.jallcom.2016.01.191
  • 发表时间:
    2016-05-15
  • 期刊:
    JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    Wang, Xuewen;Su, Xingxing;Wang, Shuang
  • 通讯作者:
    Wang, Shuang
Study of Generating Sub-Diffraction-Limit Patterns with the Phase Modulation of Polarized Beams
偏振光束相位调制产生亚衍射极限图案的研究
  • DOI:
    10.2961/jlmn.2016.03.0002
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Journal of Laser Micro Nanoengineering
  • 影响因子:
    1.1
  • 作者:
    Zhang Chen;Wang Shuang;Zhao Wei;Feng Xiaoqiang;Wang Kaige;Bai Jintao;Li Hongfu;Wang Guiren;Wang Guiren;Wang KG
  • 通讯作者:
    Wang KG

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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 通讯作者:
    刘倩
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    --
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  • 通讯作者:
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基于单分子成像技术研究 l-DNA 分子穿越微米 通道端口的电动力学特性
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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    --
  • 作者:
    王琼;王凯歌;孟康康;孙聃;高爱华
  • 通讯作者:
    高爱华

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王凯歌的其他基金

基于超分辨成像和测速技术研究微/纳限域内DNA-药物分子作用特性与机理
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    2022
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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