[論文レビュー] Controlling DNA Tug-of-War in a Dual Nanopore Device

Xu Liu, Yuning Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、電気的力の相反する制御を用いて「ひっぱり合い状態」を生成する二重ナノポアデバイスを提案する。この状態により、DNAの透過速度が最大2桁低下し、折りたたみも抑制される。電気泳動力のバランスをとることで、ポア間を拡散的制御された滑りが長時間にわたり可能となり、透過時間の延長と、1分子上での標識の高精度で逐次的なセンシングが可能になる。

ABSTRACT

Methods for reducing and directly controlling the speed of DNA through a nanopore are needed to enhance sensing performance for direct strand sequencing and detection/mapping of sequence-specific features. We have created a method for reducing and controlling the speed of DNA that uses two independently controllable nanopores operated with an active control logic. The pores are positioned sufficiently close to permit co-capture of a single DNA by both pores. Once co-capture occurs, control logic turns on constant competing voltages at the pores leading to a `tug-of-war' whereby the molecule is pulled from both ends by opposing forces. These forces exert both conformational and speed control over the co-captured molecule, removing folds and reducing the translocation rate. When the voltages are tuned so that the electrophoretic force applied to both ends of the molecule comes into balance, the life-time of the tug-of-war state is limited purely by diffusive sliding of the DNA between the pores. We are able to produce a tug-of-war state on 76.8% of molecules that are captured with a maximum two-order of magnitude increase in average pore translocation time relative to the average time for single-pore translocation. Moreover, we quantify the translocation slow-down as a function of voltage tuning and show that the slow-down is well described by a first passage analysis for a one-dimensional sub-diffusive process. The ionic current of each nanopore provides an independent sensor that synchronously measures a different region of the same molecule, enabling sequential detection of physical labels, such as mono-streptavidin tags. With advances in devices and control logic, future dual-pore applications include genome mapping and enzyme-free sequencing.

研究の動機と目的

• 固体状態ナノポアにおけるDNA透過の迅速化という、センシング分解能とSN比を制限する重要な課題に取り組む。
• 二つの独立制御可能なナノポアを用いて、DNA透過速度およびコンformationの能動的でリアルタイムの制御手法を開発する。
• ポア間でDNAを引き張ることで分子を引き伸ばす相反する力を適用し、透過中のDNAの折りたたみを抑制する。
• 両ポアにおけるイオン電流を同時にモニタリングすることで、1分子上に存在する物理的標識（例：ストレプトアビジン）の高精度で逐次的な検出を可能にする。
• 透過の遅延が、準拡散過程に対する1次元の第一到達時間理論を用いて定量的にモデル化可能であることを示す。

提案手法

• ウェーパスケールプロセスを用いて、絶縁膜上に二つのナノポアを形成し、独立した電圧制御とイオン電流センシングを可能にする。
• フィeldプログラム可能ゲートアレイ（FPGA）を用いた制御論理が、一方のポアでの初期捕獲を検出し、二番目のポアの電圧を反転させる。
• 相反する電圧により、ほぼゼロの合力が生じ、DNAがポア間を拡散的制御で滑らかに移動する。透過速度は電圧の調整により制御可能である。
• 最初に一方のポアで捕獲された分子に対して、共同捕獲効率は76.8%であり、電気泳動力のバランスによってひっぱり合い状態が持続される。
• 両ポアからのイオン電流信号を用いて、平均開放ポア電流から5σ未満の電流ブロッキングを特定することで、モノストレプトアビジンタグなどの部分的イベントを検出する。
• ひっぱり合い状態における透過ダイナミクスは、準拡散運動に対する1次元第一到達時間理論を用いてモデル化され、観測された共鳴的ピークの寿命が説明できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重ナノポア系における相反する電圧制御により、DNA透過が著しく遅くなり、折りたたみも抑制されるか？
• RQ2 どの電圧調整が最も長寿命なひっぱり合い状態をもたらし、その状態が拡散的スライディングと整合的か？
• RQ3 両ポアからのイオン電流を用いて、1分子上に存在する配列特異的標識を同時に検出可能か？
• RQ4 準拡散過程に対する第一到達時間理論は、ひっぱり合い状態における観測された透過ダイナミクスをどの程度よく記述できるか？
• RQ5 二重ナノポア系における共同捕獲および持続的ひっぱり合い状態形成の効率はいかほどか？

主な発見

• 二重ナノポア系により、単一ポア透過と比較して平均透過時間が最大2桁延長された。
• 最初に一方のポアで捕獲された分子に対して、共同捕獲および持続的ひっぱり合い状態形成の効率は76.8%であった。
• ひっぱり合い状態のピーク寿命は、相反する力がバランスしたときに発生し、これは完全に拡散的スライディングが支配する状態を示している。
• 透過の遅延は、準拡散過程に対する1次元第一到達時間理論により定量的に記述可能であり、理論モデルの妥当性が裏付けられた。
• 両ポアからのイオン電流を用いることで、モノストレプトアビジンなどの物理的標識の逐次的検出が可能となり、平均電流から5σ未満のブロッキングとして信号を特定した。
• 本手法により、DNAの折りたたみを防止し、透過中に直線的かつ延長された状態を保つことで、コンformation制御が可能となり、センシング性能が向上した。