MOLECULAR INFORMATION ENGINEERING 11-4

Nanopore Structures and Oxford Nanopore

고체 단백질 하이브리드 포어와 ONT

나노포어의 물리적 구조 / 책 기반 ONT 감지와 motor / ONT 장비와 라이브러리 / Basecalling과 데이터 저장

송영준 Youngjun Song / 인천대학교 / 75분

강의 폴더 강의 안내

Nanopore의 측정 원리

편집 가능한 강의용 회로·구조 모형

전해질 두 방 사이의 작은 통로
바이어스 전압에 따른 이온 이동
분자 통과에 따른 전류 변화
사건 검출과 염기서열 분석의 구분

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24658537/

Solid-state pore 고체 포어

solid_fig1 — Kwok et al., PLOS ONE (2014), Fig. 1

SiN, SiO₂ 등 고체막의 나노 구멍
직경·막 두께·표면 전하의 설계
전자빔·이온빔·절연 파괴 등 제작 방법
분자 통과 신호와 구조·크기 분석

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0092880

Controlled dielectric breakdown

절연막에 전기장을 가해 국소 결함 형성
이온 전류 증가로 포어 형성 감지
제어된 조건에서 개구 크기 조정
제작 전압과 판독 전압의 구분

절연막과 전해질 준비
국소 전기장에 의한 결함 성장
전류 변화로 통로 형성 감지
제작 종료 후 판독 조건으로 전환

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0092880

고체 포어에서의 DNA 사건

solid_fig4 — Kwok et al., PLOS ONE (2014), Fig. 4

직선 통과와 접힌 통과
Blockade 크기와 체류 시간의 분포
표면 상호작용·전기삼투의 영향
빠른 통과와 염기 구분의 어려움

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0092880

Protein pore 단백질 포어

막 단백질의 자기조립 통로
반복 가능한 원자 수준 구조
아미노산 변이로 통로 특성 조정
막 안정성과 단백질 상태의 영향

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction, World Scientific, 2019 Ch.4

대표 단백질 포어

protein_comparison — 분자정보공학 강의 도식, Branton and Deamer 2019 Fig.4.1 기반

α-Hemolysin: 초기 단일분자 실험
MspA: 짧은 constriction의 감지
CsgG 계열: ONT 기술과의 연결
단량체 수와 상용 kit 사양의 구분

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction, World Scientific, 2019 Ch.4; https://nanoporetech.com/platform/technology/basecalling

Hybrid pore 하이브리드 포어

편집 가능한 강의용 회로·구조 모형

고체 지지 구조와 분자 인식 구조의 결합
예: 고체 포어에 α-HL 단백질 삽입
예: DNA origami를 결합한 통로
지지체 안정성·분자 구조·누설의 공동 문제

https://doi.org/10.1038/nnano.2010.237

하이브리드 구조의 신호 경로

원하는 전류 경로: 분자 포어 내부
원치 않는 경로: 고체·분자 경계의 누설
결합 위치와 기계적 안정성
포어 삽입 전후 conductance 비교

https://doi.org/10.1038/nnano.2010.237

세 종류의 포어 비교

구조	조절 방법	주요 과제
Solid-state	재료·가공·표면	잡음·속도·균일성
Protein	아미노산·자기조립	막·단백질 안정성
Hybrid	고체와 분자 구조 결합	누설·배치·결합 안정성

고체: 형상·표면·두께의 가공
단백질: 자기조립·변이·분자 감지
하이브리드: 두 구조의 결합과 경계 제어
상용 염기 판독 성능과 연구 센서의 구분

확인·실습 문제

하이브리드 포어의 틈이 누설 경로가 될 때 생기는 문제

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction (2019)

cis와 trans 챔버

편집 가능한 강의용 회로·구조 모형

Cis: 이 강의에서 DNA를 넣는 쪽
Trans: 막 반대쪽
막과 포어가 두 전해질 공간을 연결
전극 위치와 전압 부호의 명시

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction, World Scientific, 2019 Ch.1

Open-pore current와 blockade

정의 Definition

KCl 용액 두 방(cis · trans) 사이 막에 포어 1개 · 전압 V → 이온이 포어로만 흐름 = 이온 전류
옴의 법칙 R = V / I · 저항은 가장 좁은 곳의 단면적(반지름²)에 반비례
막힘: 음전하 ssDNA가 전압에 끌려 들어와 통로를 막음 → 전류 감소
부딪히기만 한 분자는 짧고(<110 µs) 덜 막음(<70%) → 진짜 통과와 구별
Deamer 가설: 막힘 안의 계단 = 감지 구역 속 염기 조합

예제 Example

120 mV · 120 pA → R = 0.120 ÷ 1.2×10⁻¹⁰ = 1 GΩ
단위 전하량 환산 = 1.2×10⁻¹⁰ C/s ÷ 1.6×10⁻¹⁹ C ≈ 7.5×10⁸개/s (책: 약 7억)
DNA로 ~10 pA → R = 12 GΩ · 면적: (0.6/0.75)² ≈ 65%를 DNA가 차지

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction (2019), Ch.1. 전류 예제는 역사적 조건의 설명.

Blockade amplitude와 dwell time

Open-pore baseline I₀
분자 사건 중 전류 I
Blockade: ΔI=I₀−I
Dwell time: 사건의 지속 시간

ΔI = I₀ − I ; normalized blockade = ΔI / I₀

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction, World Scientific, 2019 Ch.1

감지 구역과 k-mer

Different types of nanopore — Oxford Nanopore Technologies

좁은 구역의 여러 염기가 함께 전류에 영향
k개 염기의 조합: 4^k개 가능한 서열
전류 준위가 모두 균등·분리되는 것은 아님
앞뒤 문맥과 시간 정보를 함께 이용

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction, World Scientific, 2019 Ch.4

모터 없는 통과의 시간 문제

전기장에 의한 빠른 핵산 이동
염기별 신호에 필요한 관찰 시간
빠른 이동, 잡음, 필터의 절충
포획과 제어된 이동의 분리

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction, World Scientific, 2019 Ch.1 and Ch.5

Motor protein의 작동

motor_steps — 분자정보공학 강의 도식, Branton and Deamer 2019 Fig.5.3 기반

DNA에 결합한 효소가 포어 입구에서 이동 조절
전기장이 끄는 힘과 motor의 단계적 진행
dsDNA를 풀어 단일가닥을 통과
Motor와 감지 포어의 역할 분리

어댑터·motor가 결합한 DNA 포획
Motor가 포어 입구에 위치
가닥 분리와 단계적 이동
감지 구역의 연속 전류 기록

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction, World Scientific, 2019 Ch.5

Polymerase motor와 helicase motor

초기 연구의 polymerase 기반 ratcheting
Helicase의 가닥 분리·이동 조절
결합 유지 능력 processivity
단백질 종류와 상용 변이의 구분

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction, World Scientific, 2019 Ch.5

ONT 원리 공식 영상

Oxford Nanopore Technologies (1:04)YouTube에서 보기

영상의 관찰 항목

포어·막·motor의 상대 위치
전류를 운반하는 이온
DNA 이동과 신호 변화
전류에서 염기로 변환하는 분석

https://nanoporetech.com/platform/technology

Flow cell의 구성

Photo of portable MinION sequencing device — Oxford Nanopore Technologies

전해질 공간과 다수 sensing site
막·포어·전극의 국소 구조
센서 회로와 다중 채널 기록
Flow cell과 MinION 본체의 역할

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction, World Scientific, 2019 Ch.6; https://nanoporetech.com/platform/technology

MinION에서 PromethION까지

Photo of PromethION 24 sequencing device — Oxford Nanopore Technologies

휴대형과 다중 flow cell 시스템
같은 전류 기반 판독 원리
채널 수·가동률·분자 길이의 출력 영향
명목 채널 수와 생산적인 read 수의 차이

https://nanoporetech.com/platform/technology

Sequencing adapter의 역할

DNA 말단에 판독에 필요한 구조 부착
Motor의 결합과 제어된 포획
막 근처 농도와 포획의 설계
Adapter와 데이터 payload의 구분

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction, World Scientific, 2019 Ch.8

Ligation kit와 rapid kit

Ligation: 말단 준비 후 adapter 연결
Rapid: transposase를 이용한 준비 방식
입력 길이·시료 상태·목적에 따른 선택
책의 과거 시간·수율은 현행 kit와 분리

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction, World Scientific, 2019 Ch.8

Barcode와 multiplexing

여러 시료를 한 run에서 함께 판독
Barcode를 이용한 demultiplexing
판독된 barcode의 오류와 미분류 read
파일 주소·가닥 index와 구별

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction, World Scientific, 2019 Ch.8

Direct RNA와 변형 염기

Native 분자 자체의 신호 관측
RNA adapter와 motor의 차이
역전사·PCR에서 사라질 수 있는 정보
수정 염기 call과 ACGT call의 구분

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction, World Scientific, 2019 Ch.8; https://nanoporetech.com/platform/technology

전류 신호와 basecalling

시간축에 따른 연속적인 전류 기록
문맥·이동 상태·잡음을 포함한 신호
학습 모형으로 염기와 품질 점수 추정
Raw signal과 FASTQ의 구분

https://nanoporetech.com/platform/technology/basecalling

HMM에서 neural basecaller까지

Neural networks — Oxford Nanopore Technologies

Step·stay·skip을 생각하는 초기 모형
이웃 신호를 함께 이용하는 신경망
Dorado 등 소프트웨어와 model의 버전
Chemistry와 basecaller의 공동 변화

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction, World Scientific, 2019 Ch.9; https://nanoporetech.com/platform/technology/basecalling

Duplex와 adaptive sampling

Duplex: 상보 두 가닥의 정보를 결합
Adaptive sampling: 읽는 도중 표적을 선택
추가 관측과 추가 화학 처리의 구분
짧은 올리고의 주소·처리 시간 제약

https://nanoporetech.com/platform/technology

2019년 책과 현재 ONT — 이어서 읽기

검토·보강 · 2026-10-31

책에서 확인한 원리	현행으로 넘어갈 때
Ch.1 · cis/trans·전류	접지와 전압의 부호 관례를 명시
Ch.4–5 · pore·motor	감지 영역과 이동 제어를 별도 설명
Ch.6 · sensor array	2019 MinION 수치와 현행 flow cell 사양 구분
Ch.8 · ligation·rapid·barcode	책의 kit 시간·입력량을 최신 kit 지침으로 확인
Ch.9 · basecalling	과거 HMM·poretools·ont2d 명령을 현행 Dorado 명령으로 복사하지 않기

현재 데이터 경로

POD5 원시 전류 → chemistry에 맞는 Dorado model → BAM/FASTQ → 정렬·변이 또는 DNA 디코딩. R9/R10, motor, 속도, model 버전은 한 묶음으로 기록한다.

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing: An Introduction (2019), Ch.1·4·5·6·8·9 · ONT · Dorado documentation

나노포어 확인 문제

고체·단백질·하이브리드 구조 비교
Motor와 sensing pore의 역할
k-mer 수와 실제 전류 분해능의 차이
Raw signal에서 FASTQ까지의 순서

확인·실습 문제

cis/trans와 전압 관례를 표시하고 DNA·이온·전기 신호의 경로 설명

Branton & Deamer (eds.), Nanopore Sequencing An Introduction (2019)