Neuartige komplexe Nanoporen für den Nachweis von natürlicher und mutierter DNA

• Antragstellerin: Professorin Maria Fyta, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 508324943

Durch Nanoporen in Materialien können Nukleinsäuren elektrophoretisch eingefädelt und Einzelmolekülanalysen in Echtzeit, ultraschnell und zu sehr geringen Kosten durchgeführt werden. Für Nanoporen-Sensoren wurde eine Reihe von Materialien vorgeschlagen, die jedoch häufig eine geringe Ausleseempfindlichkeit aufweisen oder keine langen Ausleselängen erreichen kann. Ziel dieses Projekts ist es, die Entwicklung von Nanoporen für Biosensortechnologien und epigenetische Analysen zu fördern, indem der Einfluss wichtiger Faktoren und Nanoporenstrukturen auf das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) aufgezeigt wird. Das SNR steht wiederum in engem Zusammenhang mit der Effizienz und Genauigkeit des Auslesens, d. h. mit der Sensorfähigkeit der Nanopore. Zu diesem Zweck wird eine Reihe von Festkörper-Nanoporen erforscht: funktionalisierte, zweidimensionale und Kombinationen von 2D- und 3D-Poren. Für die Funktionalisierung werden kleine Moleküle, "sensorische" Defekte oder geladene Muster verwendet, um die Porenoberfläche zu verändern. Die Komplexität der Nanoporen wird erforscht, um ihre Eigenschaften einzustellen und den SNR zu optimieren. Für die Durchführung dieser Forschungsarbeiten wird ein mehrstufiger Bottom-up-Rechenansatz angewandt, um Fragen auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen zu behandeln. Es werden quantenmechanische und elektronische Transportberechnungen durchgeführt, gefolgt von klassischen atomistischen, vergröberten und mesoskopischen Berechnungen, die sich den experimentellen Bedingungen annähern. Diese eingehende Untersuchung wird zu selektiven Porendesigns für die De-novo-Genomsequenzierung und das Ablesen von Mutationen führen und damit einen Meilenstein auf dem Weg zur personalisierten Medizin setzen. Die Ergebnisse werden auch die modellbasierte Entdeckung neuartiger Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften vorantreiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen