Translocation of biomolecules through solid-state nanopores: Theory meets experiments

Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics

Volumn 49, Issue 14, 2011, Pages 985-1011

  Fyta, Maria ^a   Melchionna, Simone ^b   Succi, Sauro ^c  

^a TECHNICAL UNIVERSITY OF MUNICH   (Germany)

^b CNR   (Italy)

^c CNR   (Italy)

Author keywords

biological applications of polymers; biopolymers; computer modeling; conformational analysis; membranes; molecular recognition; simulations; theory

Indexed keywords

BIOLOGICAL APPLICATIONS OF POLYMER; COMPUTER MODELING; CONFORMATIONAL ANALYSIS; SIMULATIONS; THEORY;

BIOMOLECULES; BIOPOLYMERS; GENE ENCODING; MOLECULAR RECOGNITION; RNA;

NANOPORES;

EID: 79958737832     PISSN: 08876266     EISSN: 10990488     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/polb.22284     Document Type: Review

References (76)

1. Wheeler, D. A.; Srinivasan, M.; Egholm, M.; Shen, Y.; Chen, L.; McGuire, A.; He, W.; Chen, Y.-J.; Makhijani, V.; Roth, G. T.; Gomes, X.; Tartaro, K.; Niazi, F.; Turcotte, C. L.; Irzyk, G. P.; Lupski, J. R.; Chinault, C.; Song, X. Z.; Liu, Y.; Yuan, Y.; Nazareth, L.; Qin, X.; Muzny, D. M.; Margulies, M.; Weinstock, G. M.; Gibbs, R. A.; Rothberg, J. M. Nature 2008, 452, 872-876.
2. Bentley, D. R.; Balasubramanian, S.; Swerdlow, H. P.; Smith, G. P.; Milton, J.; Brown, C. G.; Hall, K. P.; Evers, D. J.; Barnes, C. L.; Bignell, H. R.; Boutell, J. M.; Bryant, J.; Carter, R. J.; Cheetham, R. K.; Cox, A. J.; Ellis, D. J.; Flatbush, M. R.; Gormley, N. A.; Humphray, S. J.; Irving, L. J.; Karbelashvili, M. S.; Kirk, S. M.; Li, H.; Liu, X.; Maisinger, K. S.; Murray, L. J.; Obradovic, B.; Ost, T.; Parkinson, M. L.; Pratt, M. R.; Rasolonjatovo, I. M. J.; Reed, M. T.; Rigatti, R.; Rodighiero, C.; Ross, M. T.; Sabot, A.; Sankar, S. V.; Scally, A.; Schroth, G. P.; Smith, M. E.; Smith, V. P.; Spiridou, A.; Torrance, P. E.; Tzonev, S. S.; Vermaas, E. H.; Walter, K.; Wu, X.; Zhang, L.; Alam, M. D.; Anastasi, C.; Aniebo, I. C.; Bailey, D. M. D.; Bancarz, I. R.; Banerjee, S.; Barbour, S. G.; Baybayan, P. A.; Benoit, V. A.; Benson, K. F.; Bevis, C.; Black, P. J.; Boodhun, A.; Brennan, J. S.; Bridgham, J. A.; Brown, R. C.; Brown, A. A.; Buermann, D. H.; Bundu, A. A.; Burrows, J. C.; Carter, N. P.; Castillo, N.; Catenazzi, M. C. E.; Chang, S.; Cooley, R. N.; Crake, N. R.; Dada, O. O.; Diakoumakos, K. D.; Dominguez-Fernandez, B.; Earnshaw, D. J.; Egbujor, U. C.; Elmore, D. W.; Etchin, S. S.; Ewan, M. R.; Fedurco, M.; Fraser, L. J.; Fajardo, K. V. F.; Furey, W. S.; George, D.; Gietzen, K. J.; Goddard, C. P.; Golda, G. S.; Granieri, P. A.; Green, D. E.; Gustafson, D. L.; Hansen, N. F.; Harnish, K.; Haudenschild, C. D.; Heyer, N. I.; Hims, M. M.; Ho, J. T.; Horgan, A. M.; Hoschler, K.; Hurwitz, S.; Ivanov, D. V.; Johnson, M. Q.; James, T.; Jones, T. A. H.; Kang, G.-D.; Kerelska, T. H.; Kersey, A. D.; Khrebtukova, I.; Kindwall, A. P.; Kingsbury, Z.; Kokko-Gonzales, P. I.; Kumar, A.; Laurent, M. A.; Lawley, C. T.; Lee, S. E.; Lee, X.; Liao, A. K.; Loch, J. A.; Lok, M.; Luo, S.; Mammen, R. M.; Martin, J. W.; McCauley, P. G.; McNitt, P.; Mehta, P.; Moon, K. W.; Mullens, J. W.; Newington, T.; Ning, Z.; Ng, B. L.; Novo, S. M.; ONeill, M. J.; Osborne, M. A.; Osnowski, A.; Ostadan, O.; Paraschos, L. L.; Pickering, L.; Pike, A. C.; Pike, A. C.; Pinkard, D. C.; Pliskin, D. P.; Podhasky, J.; Quijano, V. J.; Raczy, C.; Rae, V. H.; Rawlings, S. R.; Rodriguez, A. C.; Roe, P. M.; Rogers, J.; Bacigalupo, M. C. R.; Romanov, N.; Romieu, A.; Roth, R. K.; Rourke, N. J.; Ruediger, S. T.; Rusman, E.; Sanches-Kuiper, R. M.; Schenker, M. R.; Seoane, J. M.; Shaw, R. J.; Shiver, M. K.; Short, S. W.; Sizto, N. L.; Sluis, J. P.; Smith, M. A.; Sohna, J. E. S.; Spence, E. J.; Stevens, K.; Sutton, N.; Szajkowski, L.; Tregidgo, C. L.; Turcatti, G.; vandeVondele, S.; Verhovsky, Y.; Virk, S. M.; Wakelin, S.; Walcott, G. C.; Wang, J.; Worsley, G. J.; Yan, J.; Yau, L.; Zuerlein, M.; Rogers, J.; Mullikin, J. C.; Hurles, M. E.; McCooke, N. J.; West, J. S.; Oaks, F. L.; Lundberg, P. L.; Klenerman, D.; Durbin, R.; Smith, A. J. Nature 2008, 456, 53-59.
3. Kasianowicz, J. J.; Brandin, E.; Branton, D.; Deamer, D. W. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1996, 93, 13770-13773.
4. Meller, A.; Nivon, L.; Branton, D. Phys. Rev. Lett. 2001, 86, 3435-3438.
5. Xu, M.; Endres, R. G.; Arakawa Y. Small 2007, 3, 1539-1543.
6. Astier, Y.; Braha, O.; Bayley, H. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 1705-1710.
7. Li, J.; Stein, D.; McMullan, C.; Branton, D.; Aziz, M. J.; Golovchenko, J. A. Nature 2001, 412, 166-169.
8. Branton, D.; Deamer, D. W.; Marziali, A.; Bayley, H.; Benner, S. A.; Butler, T.; Di Ventra, M.; Garaj, S.; Hibbs, A.; Huang, X.; Jovanovich, S. B.; Krstic, P. S.; Lindsay, S.; Ling, X. S.; Mastrangelo, C. H.; Meller, A.; Oliver, J. S.; Pershin, Y. V.; Ramsey, J. M.; Riehn, R.; Soni, G. V.; Tabard-Coss, V.3; Wanunu, M.; Wiggin, M.; Schloss, J. A. Nat. Biotech. 2008, 26, 1146-1153.
9. Zwolak, M.; Di Ventra, M. Rev. Mod. Phys. 2008, 80. 141-165.
10. Dekker, C. Nat. Nanotech. 2007, 2, 209-215.
11. Fologea, D.; Gershow, M.; Ledden, B.; McNabb, D. S.; Golovchenko, J. A.; Li, J. Nano Lett. 2005, 5, 1905-1909.
12. Storm, A. J.; Storm. C.; Chen, J. H.; Zandbergen, H. W., Joanny, J.-F.; Dekker C. Nano Lett. 2005, 5, 1193-1197.
13. Clarke, J.; Wu, H.; Jayasinghe, L.; Patel, A.; Reid, S.; Bayley, H. Nat. Nanotech. 2009, 4, 265-270.
14. Maglia, G.; Henricus, M.; Wyss, R.; Li, Q.; Cheley, S.; Bayley, H. Nano Lett. 2009, 9, 3831-3836.
15. Hall, A. R.; Scott, A.; Rotem, D.; Mehta, K. K.; Bayley, H.; Dekker, C. Nat. Nanotech. 2010, 5, 874-877.
16. Singer, A.; Wanunu, M.; Morrison, W.; Kuhn, H.; Frank- Kamenetskii, M.; Meller, A. Nano Lett. 2010, 10, 738-742.
17. Li J.; Gershow, M.; Stein, D.; Brandin, E.; Golovchenko, J. A. Nat. Mater. 2003, 2, 611-615.
18. van Dorp, S.; Keyser, U. F.; Dekker, N. H.; Dekker, C.; Lemay, S. Nat. Phys. 2009, 5, 347-351.
19. Netz, R. R. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 8208-8217.
20. Ghosal, S. Phys. Rev. E 2007, 76, 061916.
21. Fyta, M.; Melchionna, S.; Succi, S.; Kaxiras E. Comp. Sci. Eng. 2008, 10, 10-19.
22. Gershow, M.; Golovchenko, J. A. Nat. Nanotech. 2007, 2, 775-779.
23. Heng, J. B. Biophys. J. 2006, 90, 1098-1106.
24. Aksimentiev, A.; Heng, J. B.; Timp, G.; Schulten, K. Biophys. J. 2004, 87, 2086-2097.
25. Merchant, C. A.; Healy, K.; Wanunu, M.; Ray, V.; Peterman, N.; Bartel, J.; Fischbein, M. D.; Venta, K.; Luo, Z.; Johnson, A. T. C.; Drndíc, M. Nano Lett. 2010, 10, 2915-2921.
26. Schneider, G.; Kowalczyk, S. W.; Calado, V. E.; Pandraud, G.; Zandbergen, H. W.; Vandersypen, L. M. K.; Dekker, C. Nano Lett. 2010, 10, 3163-3167.
27. Garaj, S.; Hubbard, W.; Reina, A.; Kong, J.; Branton, D.; Golovchenko, J. A. Nature 2010, 467, 190-193.
28. McNally, B.; Singer, A.; Yu, Z.; Sun, Y.; Weng, Z.; Meller, A. Nano Lett. 2010, 10, 2237-2244.
29. Lagerqvist, J.; Zwolak, M.; Di Ventra, M. Nano Lett. 2006, 6, 779-782.
30. Zwolak, M.; Di Ventra, M. Nano Lett. 2005, 5, 421-424.
31. Gracheva, M. E.; Xiong, A.; Aksimentiev, A.; Schulten, K.; Timp, G.; Leburton, J.-P. Nanotechnology 2006, 17, 622-663.
32. Wanunu, M.; Dadosh, T.; Ray, V.; Jin, J.; McReynolds, L.; Drndic, M. Nat. Nanotech. 2010, 5, 807-814.
33. Heng, J. B.; Ho, C.; Kim, T.; Timp, R.; Aksimentiev, A.; Grinkova, Y. V.; Sligar, S.; Schulten, K.; Timp, G. Biophys. J. 2004, 87, 2905-2911.
34. Huang, S.; He, J.; Chang, S.; Zhang, P.; Liang, F.; Li, S.; Tuchband, M.; Fuhrmann, A.; Ros, R.; Lindsay, S. Nat. Nanotech. 2010, 5, 868-873.
35. Tsutsui, M.; Taniguchi, M.; Yokota, K.; Kawai, T. Nat. Nanotech. 2010, 5, 286-290.
36. Chang, S.; Huang, S.; He, J.; Liang, F.; Zhang, P.; Li, S.; Chen, X.; Sankey, O.; Lindsay, S. Nano Lett. 2010, 10, 1070-1075.
37. Ivanov, A. P.; Instuli, E.; McGilvery, C. M.; Baldwin, G.; McComb, D. W.; Albrecht, T.; Edel, J. B. Nano Lett. 2011, 11, 279-285.
38. Keyser, U. F.; Koeleman, B. N.; van Dorp, S.; Krapf, D.; Smeets, R. M. M.; Lemay, S. G.; Dekker, N. H.; Dekker, C. Nat. Phys. 2006, 2, 473-477.
39. Chen, Z.; Jiang, Y.; Dunphy, D. R.; Adams, D. P.; Hodges, C.; Liu, N.; Zhang, N.; Xomeritakis, G.; Jin, X.; Aluru, N. R.; Gaik, S. J.; Hillhouse, H. W.; Brinker, C. J. Nat. Mater. 2010, 9, 667-675.
40. Kantor, Y.; Kardar, M. Phys. Rev. E 2004, 69, 021806.
41. Sung, W.; Park, P. J. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 783-786.
42. Gauthier, M. G.; Slater, G. W. J. Chem. Phys. 2008, 128, 065103.
43. Tian, P.; Smith, G. D. J. Chem. Phys. 2003, 119, 11475.
44. Luo, K.; Ala-Nissila, T.; Ying, S.-C.; Bhattacharya, A. Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 148102.
45. Sakaue, T. Phys. Rev. E 2007, 76, 021803.
46. Panja, D.; Barkema, G. T. Biophys. J. 2008, 94, 1630-1637.
47. Metzler, R.; Klafter, J. Biophys. J. 2003, 85, 2776-2779.
48. Lubensky, D. K.; Nelson, D. R. Biophys. J. 1999, 77, 1824-1838.
49. Wong, C. T. A.; Muthukumar, M. J. Chem. Phys. 2007, 126, 164903.
50. Ghosal, S. Phys. Rev. E 2006, 74, 041901.
51. Ghosal, S. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 238104.
52. Dubbeldam, J. L. A.; Milchev, A.; Rostiashvili, V. G.; Vilgis, T. A. Europhys. Lett. 2007, 79, 18002.
53. Luo, K.; Ollila, S. T. T.; Huopaniemi, I.; Ala-Nissila, T.; Pomorski, P.; Karttunen, M.; Ying, C.-S.; Bhattacharya, A. Phys. Rev. E 2008, 78, 050901.
54. Forrey, C.; Muthukumar, M. J. Chem. Phys. 2007, 127, 015102.
55. Matysiak, S.; Montesi, A.; Pasquali, M.; Kolomeisky, A. B.; Clementi, C. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 118103.
56. Zwolak, M.; Lagerqvist, J.; Di Ventra, M. Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 128102.
57. Reboux, S.; Capuani, F.; Gonzalez-Segredo, N.; Frenkel, D. J. Chem. Theory Comput. 2006, 2, 495.
58. He, H.; Scheicher, R. H.; Pandey, R.; Rocha, A. R.; Sanvito, S.; Grigoriev, A.; Ahuja, R.; Karna, S. P. J. Chem. Phys. C 2008, 112, 3456-3459.
59. Lagerqvist, J.; Zwolak, M.; Di Ventra, M. Biophys. J. 2007, 93, 2384-2390.
60. Lagerqvist, J.; Zwolak, M.; Di Ventra, M. Phys. Rev. E. 2007, 76, 013901.
61. Meng, S.; Maragakis, P.; Papaloukas C.; Kaxiras, E. Nano Lett. 2007, 7, 45-50.
62. Hughes, M. E.; Brandin, E.; Golovchenko, J. A. Nano Lett. 2007, 7, 1191-1194.
63. Yeh, I.-C.; Hummer, G. PNAS 2004, 101, 12177-12182.
64. Zikic, R.; Krstíc, P. S.; Zhang, X.-G.; Fuentes-Cabrena, M.; Wells, J.; Zhao, X. Phys. Rev. E 2006, 74, 011919.
65. Krems, M.; Zwolak, M.; Pershin, Y. V.; Di Ventra, M. Biophys. J. 2009, 97, 1990-1996.
66. Lagerqvist, J.; Zwolak, M.; Di Ventra, Phys. Rev. E 2007, 76, 013901.
67. Nelson, T.; Zhang, B.; Prezhdo, O. V. Nano Lett. 2010, 10, 3237-3242.
68. Postma, H. W. Ch. Nano Lett. 2010, 10, 420-425.
69. Sigalov, G.; Comer, J.; Timp, G.; Aksmentiev, A. Nano Lett. 2007, 8, 56-63.
70. Fyta, M. G.; Melchionna, M.; Kaxiras, E.; Succi, S. Multiscale Model. Sim. 2006, 5, 1156-1173.
71. Fyta, M.; Melchionna, S.; Succi, S.; Kaxiras E. Phys. Rev. E 2008, 78, 036704.
72. Bernaschi, M.; Melchionna, S.; Succi, S.; Fyta, M.; Kaxiras, E. Nano Lett. 2008, 8, 1115-1119.
73. Bernaschi, M.; Melchionna, S.; Succi, S.; Fyta, M.; Kaxiras, E.; Sircar, J. K. Comp. Phys. Comm. 2009, 180, 1495-1502.
74. Lee, J. W.; Meller, A. In Perspectives in Bioanalysis; Mitchelson, K., Ed.; Elsevier: Amsterdam, 2007.
75. Kaxiras, E.; Succi, S. Sci. Model. Simul. 2008, 15, 59-65.
76. Tropini, C.; Marziali, A. Biophys. J. 2007, 92, 1632-1637.