Solid-state nanopores for probing DNA and protein

Abstract

Solid-state nanopores are small nanometer-scale holes in thin membranes. When used to separate two chambers containing salt solution, any biomolecule passing from one chamber to the other is forced to pass through the pore constriction. An electric field applied across the membrane is used to create an ionic current and electrophoretically drive charged molecules through the pore. As a molecule translocates through the pore, it causes a temporary reduction in the ionic current which is measured with a low-noise amplifier. The current blockade is a unique signature containing information about the volume and length of the molecule. The simple but versatile nanopore technique can be applied and modified in many ways, revealing a wide variety of phenomena. This thesis highlights some potential applications including the use of nanopores to determine polymer properties, the combination of DNA-origami nanostructures and nanopores, the use of nanopores to study knotting phenomenon in long polymers, and detection of DNA-bound protein. 'Solid-state nanopores' (vaste-stof nanogaatjes) zijn gaatjes van enkele nanometers in een dun membraan van bijvoorbeeld silicium nitride. Zo'n membraan met een nanogaatjes kan worden gebruikt om twee compartimenten met een zoutoplossing te scheiden. Wanneer er biomoleculen in de oplossing zitten, kunnen deze zich via het gaatje van het ene compartiment naar het andere bewegen. Als men een elektrisch veld over het membraan aanlegt, wordt er een ionenstroom gegenereerd en worden geladen moleculen via elektroforese door het nanogaatje gedreven. Een molecuul dat door het gaatje beweegt resulteert dan in een tijdelijke reductie van de ionenstroom, die wordt gemeten met een lage-ruis versterker. Deze tijdelijke stroomafname bevat unieke informatie over het volume en de lengte van het molecuul. De simpele en veelzijdige 'nanopore' techniek kan op veel verschillende manieren worden toegepast en gemodificeerd, waarmee een breed scala aan fenomenen kan worden onthuld. Dit proefschrift belicht een aantal mogelijke toepassingen, in het bijzonder wat betreft het gebruik van nanogaatjes voor het bepalen van polymeereigenschappen, de combinatie van DNA origami nanostructuren en nanogaatjes, het gebruik van nanogaatjes voor het bestuderen van knopen in lange polymeren en de detectie van DNA gebonden eiwitten.