[論文レビュー] Direct measurements reveal non-Markovian fluctuations of DNA threading through a solid-state nanopore

Nicholas A. W. Bell, Ulrich F. Keyser|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2016

Nanopore and Nanochannel Transport Studies被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、固体状ナノポアを通過するDNAのトランスロケーション中に、DNAダムベルマーカーを用いて直接的に速度と揺らぎを測定した。水素的抗力の増加による5%の速度低下が観察され、トランスロケーション時間と同等のスケールの時間領域で長距離にわたる非マルコフ的でない速度相関が特定された。これは、スーパー拡散的ダイナミクスと構造的確率的ゆらぎに起因する非熱的ゆらぎを示している。

ABSTRACT

The threading of a polymer chain through a small pore is a classic problem in polymer dynamics and underlies nanopore sensing technology. However important experimental aspects of the polymer motion in a solid-state nanopore, such as an accurate measurement of the velocity variation during translocation, have remained elusive. In this work we analysed the translocation through conical quartz nanopores of a 7 kbp DNA double-strand labelled with six markers equally spaced along its contour. These markers, constructed from DNA hairpins, give direct experimental access to the translocation dynamics. On average we measure a 5% reduction in velocity during the translocation. We also find a striking correlation in velocity fluctuations with a decay constant of 100s of μs. These results shed light on hitherto unresolved problems in the dynamics of DNA translocation and provide guidance for experiments seeking to determine positional information along a DNA strand.

研究の動機と目的

• 固体状ナノポア内を通過するDNAのトランスロケーション中の速度変動を直接測定すること。
• 平衡モデルを越えたトランスロケーションゆらぎの性質を調査すること。
• 水素的抗力と構造的確率的ゆらぎがトランスロケーションダイナミクスに与える影響を特定すること。
• 動的ゆらぎを定量化することで、ナノポアを用いたDNA解析における位置精度の向上を図ること。
• 粗粒度シミュレーションの妥当性を確認するため、実験的にスーパー拡散的挙動と長期間にわたる相関を観察すること。

提案手法

• 6つの等間隔に配置されたDNAダムベルヘアピンマーカーを有する7.2 kbpの二本鎖DNAを設計し、位置の報告者として機能させた。
• 28塩基の突出ヘアピンを用いて、DNAの外周に高信号・低摂動のマーカーを形成した。
• コニカル形状の石英ナノポアを用い、複数の電圧条件下で数千回のトランスロケーション測定を実施した。
• マーカーのトランスロケーション時間を分析し、高い時間分解能で局所的スピードとゆらぎを抽出した。
• 水素的モデルを適用して、DNAの閉じ込めと張力伝播に起因する抗力増加と速度変化の関係を関係づけた。
• 相関解析を用いて、約100 μsの減衰定数を有する非マルコフ的でない速度ゆらぎを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DNAが固体状ナノポア内をトランスロケーションする際の実際の速度変動は何か？
• RQ2 トランスロケーションゆらぎはマルコフ的であるか、長距離にわたる時間的相関を示すか？
• RQ3 単純なバイアス拡散モデルでは説明できない、トランスロケーション時間の分散の原因は何か？
• RQ4 水素的抗力とDNAの構造的ダイナミクスは、速度変化にどのように寄与するか？
• RQ5 初期のDNA構造と構造的確率的ゆらぎは、非熱的ゆらぎをどれほど駆動するか？

主な発見

• DNAがトランスロケーション中に、平均して5%の速度低下が測定された。これは、より多くのDNAが円錐形ポア内に入ると増加する水素的抗力に起因するとされた。
• 速度ゆらぎには、約100 μsの減衰定数を持つ長期間にわたる相関が存在し、非マルコフ的ダイナミクスを示している。
• トランスロケーション時間の分散はDNA鎖に沿ってスーパー拡散的にスケーリングし、非熱的で構造的確率的ゆらぎが主要なゆらぎ源であることを確認した。
• 観察されたゆらぎは、熱的ノイズのみでは説明できず、構造的ランダムネスを含む粗粒度シミュレーションと整合的である。
• ナノポアの幾何学的形状と広い直径（14 ± 3 nm）のおかげで、表面相互作用が最小限に抑えられ、ゆらぎが主に内部ダイナミクスに起因することが確認された。
• DNAダムベルマーカーの使用により、1セグメント分解能で高精度なリアルタイムのトランスロケーションダイナミクス追跡が可能になった。