دانلود ترجمه مقاله ترقی های اخیر در زمینه شبیه سازی اتمی در توالی یابی DNA – الزویر ۲۰۱۵

ترقی های اخیر در زمینه شبیه سازی اتمی در توالی یابی DNA با جریان الکتریکی

Recent progress in atomistic simulation of electrical current DNA sequencing

چکیده
۱- مقدمه
۲- پس زمینه شبیه سازی توالی یابی DNA با جریان الکتریکی
۲-۱- عدم توازن نظریه تابع گرین در انتقال کوانتومی
۲-۲- کاربرد جریان الکتریکی در توالی یابی DNA
۲-۳- مواد الکترود و یا کانال
۳- توالی یابی DNA بر اساس الکترودهای فلزی
۴- توالی یابی DNA بر اساس نانولوله های کربنی
۴-۱- حالت I-B مبتنی بر الکترودهای نانولوله کربنی
۴-۲- حالات دیگر مبتنی بر الکترودهای نانولوله کربنی
۵- توالی یابی DNA بر اساس گرافن و نانوروبان
۵-۱- حالت I مبتنی بر الکترودهای گرافنی و نانوروبان گرافنی
۵-۲- حالت II مبتنی بر گرافن و نانوروبان گرافنی
۶- توالی یابی DNA بر اساس سایر مواد دوبعدی و ساختارهای ناهمگن واندروالس آن ها
۷- موضوعات مربوط به مطالعات محاسباتی
۸- چشم انداز
قدردانی
منابع

چکیده

ما به بررسی پیشرفت های اخیر در زمینه توالی یابی DNA بر اساس اندازه گیری جریان الکتریکی عرضی پرداختیم. پیکربندی های دستگاه ارائه شده در ادبیات با توجه به ظهور انگشت نگاره مولکولی به صورت سیگنال های جریان عمده (حالت I) و یا آشفته (حالت II) طبقه بندی می شوند. پیکربندی میکروسکوپ تونل زنی روبشی و شکاف الکترود تونل زنی به حالت اول تعلق داشته حال آنکه نانوکانال های دارای نانوحفره جاسازی شده و یا فاقد آن به رده بندی حالت دوم تعلق دارند. مکانیزم های حسگری مولکولی حالت اول و دوم تقریباً به ترتیب با تونل زنی الکترونی و دریچه گذاری الکتروشیمیایی مطابقت دارند. تاکید ویژه ای معطوف مطالعات شبیه سازی کامپیوتری می گردد که نقش مهمی در پیدایش و گسترش این رشته داشته است. هم چنین ما بر نانومواد ابعاد پایین مانند: نانولوله های کربنی، گرافن و نانوروبان های گرافنی تاکید نمودیم که رویکرد جدید حالت دوم را امکان پذیر می نماید. در نهایت، مسائل متعددی در مطالعات محاسباتی پیشین مورد بحث قرار گرفته اند، که به جهت گیری های تحقیقاتی آتی در راستای شبیه سازی قابل اطمینان تر دستگاه های توالی یابی DNA با جریان الکتریکی اشاره می نماید.

۸- چشم انداز

اندازه گیری جریان الکتریکی عرضی نشان دهنده یک رویکرد توالی یابی DNA امیدوار کننده می باشد که قادر است به وضوح تک مولکولی بدون نشانگذاری و تقویت دست یابد. در توسعه آن، نظریه و محاسبات نقش مهمی را ایفا می نمایند. بدون اشاره به ایده اصلی، اغلب طرح هایی که شامل کربن و دیگر نانومواد ابعاد پایین هستند در ابتدا در مطالعات نظری مطرح شده اند. با توجه به پیچیدگی آزمایشات، ادامه این روند در این زمینه می تواند مورد انتظار باشد. با این حال، بدیهی است که به اقدامات بیشتری برای تحقق بخشیدن به شبیه سازی کامل و قابل اعتماد توالی یابی DNA با جریان الکتریکی عرضی نیاز می باشد. خاطرنشان می گردد که مسائل بالقوه حیاتی در مطالعات محاسباتی پیشین وجود دارند، به عنوان مثال از دست رفتن عناصر در مدلسازی و یا سطح شبیه سازی ناکافی (حذف رکن اصلی، پادیون، حلال ها، هندسه واقع بینانه الکترود و مولکولی، نوسانات حرارتی، فرآیند جهش نامنسجم، و غیره)، که منجر به نتیجه گیری متفاوت درباره سیستم های اساساً یکسان دستگاه می شوند. این امر به طور طبیعی ما را به سوی جهت گیری تحقیقات مطلوب آتی سوق می دهد. یک نمونه می تواند گنجاندن توصیف دقیق اثرات پیچیده زیست محیطی در یک روش محاسبه اصول اولیه انتقال بار باشد که شامل فرآیندهای جهش نامنسجم باز نیز می گردد.

Abstract

We review recent advances in the DNA sequencing method based on measurements of transverse electrical currents. Device configurations proposed in the literature are classified according to whether the molecular fingerprints appear as the major (Mode I) or perturbing (Mode II) current signals. Scanning tunneling microscope and tunneling electrode gap configurations belong to the former category, while the nanochannels with or without an embedded nanopore belong to the latter. The molecular sensing mechanisms of Modes I and II roughly correspond to the electron tunneling and electrochemical gating, respectively. Special emphasis will be given on the computer simulation studies, which have been playing a critical role in the initiation and development of the field. We also highlight low-dimensional nanomaterials such as carbon nanotubes, graphene, and graphene nanoribbons that allow the novel Mode II approach. Finally, several issues in previous computational studies are discussed, which points to future research directions toward more reliable simulation of electrical current DNA sequencing devices.

۸- Outlook

The measurement of transverse electrical currents represents a promising DNA sequencing approach that can achieve single-molecule resolution without labeling and amplification. In its development, theory and computation have been playing an important role. Not to mention the original idea, most proposals that involve carbon and other low-dimensional nanomaterials have been first put forward in theoretical studies. Considering the complexity of experiments, this trend can be expected to continue in this field. However, it is also clear much more needs to be done to realize the complete and reliable simulation of transverse electrical current DNA sequencing. We pointed out that there exist potentially critical issues in previous computational studies, e.g. missing elements in modeling and/or insufficient simulation levels (omission of backbone, counterions, solvents, realistic electrode and molecular geometries, thermal fluctuations, incoherent hopping process, etc.), which resulted in differing conclusions on basically identical device systems. This naturally points us toward desirable future research directions. One example would be incorporating accurate descriptions of complex environmental effects into a firstprinciples charge transport calculation method that also includes incoherent charge hopping processes.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

ترقی های اخیر در زمینه شبیه سازی اتمی در توالی یابی DNA با جریان الکتریکی

Recent progress in atomistic simulation of electrical current DNA sequencing