Beschreibung
Die Translokation von DNA durch nanoskalige Poren ist ein aktives und hochaktuelles Forschungsfeld, da sie ein wichtiger Technologiekandidat für DNA-Sequenzierungen, also das basenweise Auslesen eines DNA-Strangs ist. In einem System, das aus einer Nanopore und einem DNA-Strang in wässriger Lösung besteht, wurde experimentell festgestellt, dass sich der Ionenstrom durch die Pore bei einem extern angelegten elektrischen Feld messbar ändert, wenn sich eine DNA-Base durch die Pore bewegt. Diese Änderung des Stromflusses wird ausführlich im Teilprojekt C.5 untersucht. Es ist jedoch nach wie vor ungewiss, ob die bei diesem Systemaufbau gewonnenen Information ausreichen, zuverlässig konkrete Basen auf dem in der Pore befindlichen Molekül auszulesen.
Neue und spannende experimentelle Ansätze nutzen Elektroden senkrecht zur Translokationsrichtung, mit denen ein Tunnelstrom direkt gemessen werden kann, der durch das DNA-Molekül in der Nanopore hervorgerufen wird. Hierbei spielt nicht der Fluss von Ionen durch die Pore eine Rolle, sondern direkt die elektrische Leitfähigkeit quer zur Pore inklusive der darin enthaltenen DNA. Unter Umständen können hierbei die Elektroden mittels Diamantoiden so funktionalisiert werden, dass eine Unterscheidung der Nukleobasen anhand des gemessenen Signals technisch möglich wird. Dieser Ansatz, oder auch eine Kombination beider Herangehensweisen, stellt eine vielversprechende neue Entwicklung auf dem Gebiet der DNA-Sequenzierung dar.
Der wichtigste in diesen Prozess einfließende Faktor ist hierbei die elektronische Struktur des Pore-DNA-Systems durch das der Tunnelstrom fließt. Doch auch die genaue Geometrie und die Lage der Base innerhalb der Pore, die durch thermische Fluktuationen stark beeinflusst werden kann und das verwendete Lösungsmittel spielen eine Rolle. In diesem Teilprojekt wollen wir die Herausforderung annehmen, dieses Problem durch systematische Herangehensweise so weit zu verstehen, dass Vorschläge zur Optimierung experimenteller Aufbauten gemacht werden können. Mögliche Parameter sind hierbei zum Beispiel die Wahl der Funktionalisierung der Elektrode, die Geometrie der Nanopore, oder die Umgebungsbedingungen wie Salzkonzentration und Lösungsmittel.
Die Untersuchungen zu diesem Thema sind methodisch sehr anspruchsvoll, da die dynamischen elektronischen Eigenschaften eines Systems mit sehr vielen Teilchen untersucht werden müssen. Für die Simulationen verwendet wird daher eine Bottom-Up-Kombination aus Dichtefunktionaltheorie (DFT), Non-Equilibrium- Greens-Function-Berechnungen (NEGF), Ab-initio-Molekulardynamik und klassischer Molekulardynamik. Wir gehen von quantenmechanischen atomistischen Simulationen sehr kleiner Systeme aus, etwa nur eine Elektrode oder eine Elektrode mit einer Nukleobase. Darauf aufbauend wird die Komplexität schrittweise erhöht, und die Einflüsse und Charakteristika jedes Bereichs werden stets transferiert. Das Ziel zum Ende der Förderperiode ist es, das System in experimentell relevanter Größe und gleichzeitig präzise und realistisch darstellen zu können.
Von den Simulationen dieses Systems erhoffen wir uns nicht nur, dem Ziel von der schnellen und günstigen DNA-Sequenzierung einen Schritt näher zu kommen, sondern auch methodisch bei der Elektronenstruktur- Teilchen-Kopplung einen entscheidenden Schritt in Richtung zu experimentellen Vergleichen zu machen.