Design and computer simulations of 2D MeX2 solid-state nanopores for DNA and protein detection analysis
Institution:
Bourgogne Franche-ComtéDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Solid-state nanopores (SSN) have emerged as versatile devices for biomolecule analysis. One of the most promising applications of SSN is DNA and protein sequencing, at a low cost and faster than the current standard methods. SSN sequencing is based on the measurement of ionic current variations when a biomolecule embedded in electrolyte is driven through a nanopore under an applied electric potential. As a biomolecule translocates through the nanopore, it occupies the pore volume and blocks the passage of ions. Hence, ultrafast monitoring of ionic flow during the passage of a biomolecule yields information about its structure and chemical properties. The size of the sensing region in SSN is determined by the size and thickness of the pore membrane. Therefore, two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides such as molybdenum disulfide (MoS2) arise as great candidates for SSN applications as an alternative to graphene. In the present work, we investigated the feasibility of using MoS2 nanopores for protein sequencing from all-atom molecular dynamics (MD) simulations. First, we studied the ionic conductance of MoS2 nanoporous membranes by characterizing the KCl electrolyte conductivity through MoS2 nanopores with diameters ranging from 1.0 to 5.0 nm and membranes from single to five-layers. Using MD simulations, we showed the failure of the usual macroscopic model of conductance for the nanoporous membranes with the smallest diameters and developed a modified model which proves usefulness to interpret experimental data. Second, we investigated the threading and translocation of individual lysine residues and a model protein with poly-lysine tags through MoS2 nanopores under the application of an electric potential. A proof-of principle technique based on the use of positively or negatively charged amino acids for protein translocation was proposed to promote the entrance of proteins through SSN in experiments. By analyzing the current-voltage curves simulated, we established the relationship between the translocation sequence events through the nanopores observed at the atomic scale in MD simulations, and the computed current fluctuations. Finally, experimental evidence of ionic conductance measurements in sub-nanometer (sub-nm) pores made of atomic defects has been recently reported. To give a better insight of the ionic transport through atomic scale pores, we performed MD simulations of sub-nm defect MoS2 pores using the reactive potential ReaxFF. Here, we characterized the variations of the atomic structure of the pores in vacuum and then we investigated the ionic conductance performance of one of the MoS2 defect pore membranes. ReaxFF potential was also useful to investigate the possible reactivity of MoS2 defect pore membranes with ethanol molecules. In addition, these simulations might provide a better understanding of the experimental setup of DNA sequencing, in which ethanol plays an unknown role in the sample preparation of the SSN.
Abstract FR:
Les membranes nanoporeuses solides [en anglais, SSN (Solid State Nanopore)] sont devenues des dispositifs polyvalents pour l'analyse des biomolécules. L'une des applications les plus prometteuses des SSN est le séquençage de l'ADN et des protéines avec un coût réduit et une vitesse d’exécution plus rapide que les méthodes actuelles de séquençage. Le séquençage par SSN est basé sur la mesure des variations de courant ionique observées quand unebiomolécule, dans un milieu électrolytique, est forcée de traverser de manière séquentielle un nanopore sous l’action d’une différence de potentiel électrique appliquée. Lorsque la biomolécule passe au travers du nanopore, elle occupe de manière transitoire le volume du nanopore et bloque ainsi le passage des ions du milieu électrolytique. Le blocage du courant est dépendant de la nature et de l’encombrement stérique des groupements chimiques des monomères constituant la biomolécule. Donc, la détection ultra-rapide des variations de courant ionique lors du passage de celle-ci au travers du nanopore, peut fournir des informations sur sa séquence. La résolution avec laquelle la séquence peut être déterminée dépend de la taille des nanopores et de l'épaisseur de la membrane. Les matériaux à deux dimensions tels que le graphène et les matériaux dichalcogénures de métaux de transition (MoS2 , WS2, …) sont des candidats très prometteurs pour ledéveloppement des applications de séquençage par SSN. A partir de simulations de dynamique moléculaire (DM) tous atomes, nous avons étudié la faisabilité d'utiliser des SSN de type MoS2 pour le séquençage desprotéines. En premier lieu, nous avons étudié la conductance d’une membrane nanoporeuse de MoS2 de 1 à 5 couches d’épaisseur possédant un seul nanopore de diamètre compris entre 1.0 et 5.0 nm et plongée dans un électrolyte de KCl. Nous avons démontré que le modèle de conductance macroscopique des membranes nanoporeuses cessait d’être valable pour les plus petits nanopores (diamètre < 5 nm). En analysant les simulations de DM des membranes de MoS2, nous avons développé un modèle modifié qui permet d’interpréter les mesures de courant ionique quel que soit le diamètre du nanopore. En second lieu, nous avons simulé le passage de la lysine et du di-lysine, ainsi que d'une protéine modèle, au travers de nanopores de membranes de MoS2, plongées dans un électrolyte de KCl, et soumises à une différence de potentiel électrique. A partir de nos résultats, nous avons proposé que l'utilisation d'acidesaminés chargés positivement ou négativement fixés de manière covalente à une protéine pourrait s’avérer une technique efficace pour favoriser l'entrée des protéines à travers des nanopores dans des expériences de translocation. De plus, nous avons établi la relation entre la trajectoire de la protéine au travers du nanopore et les fluctuations de courant ionique simulées.En troisième lieu, nous avons examiné la conductance ionique de membranes de MoS2 dont les pores ont un diamètre inférieur au nanomètre (sub-nm). Nous avons effectué des simulations de DM de ces systèmes en utilisant le potentiel réactif ReaxFF. Ce potentiel nous a permis de caractériser les variations de la structure atomique de ces très petits pores dans le vide et de simuler la conductance ionique de ce type de membranes. En utilisant le potentiel ReaxFF, des calculs préliminaires de la réactivité des nanopores de membranes de MoS2 à des molécules d’éthanol, utilisées dans le protocole expérimental de la préparation des membranes de MoS2, ont été réalisés.