[論文レビュー] Ratcheting charged polymers through symmetric nanopores using pulsed fields: Designing a low pass filter for concentrating DNA

Le Qiao, Gary W. Slater+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2021

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、対称ナノポアにおいてパルス電場駆動のラチェット機構を提案し、短いDNA分子を効果的に透過させながら長いDNA分子を後退させる。これにより、サイズに基づくDNA分離のための効果的なローパスフィルタに変換される。Langevinダイナミクスシミュレーションを用いて、著者らは非対称パルス電場が効率を向上させることを示しており、周波数制御により調整可能なカットオフサイズで、短いポリエレクトロライドの高純度濃縮が可能である。

ABSTRACT

We present a new concept for the separation of DNA molecules by contour length that combines a nanofluidic ratchet, nanopore translocation and pulsed fields. Using Langevin Dynamics simulations, we show that it is possible to design pulsed field sequences to ratchet captured semiflexible molecules in such a way that only short chains successfully translocate, effectively transforming the nanopore process into a low pass molecular filter. We also show that asymmetric pulses can significantly enhance the device efficiency. The process itself can be performed with many pores in parallel, and it should be possible to integrate it directly into nanopore sequencing devices, increasing its potential utility.

研究の動機と目的

• 従来のゲル電気泳動および既存のナノフラウドデバイスに起因する制限を克服する、サイズに基づくDNA分子分離のための新規手法の開発。
• 特に長鎖または同サイズのDNA分子に対して、分解能が低く効率が悪い従来手法の課題を解決すること。
• 前後方向の運動を可能にするパルス電場を用いたラチェット機構の設計により、短いDNA鎖の選択的透過と長い鎖の後退を実現すること。
• 非対称パルス電場が分離効率を顕著に向上させ、臨界分子サイズカットオフを精密に制御できることを実証すること。
• ナノポアシーケンシングプラットフォームと互換性のある、スケーラブルで並列化可能なナノポアシステムへの統合を実現すること。

提案手法

• 本研究では、適用された電場下における半剛直DNA鎖の運動をモデル化するために、Langevinダイナミクスシミュレーションを用いる。
• パルス電場プロトコルを実装し、透過（前進）と後退（逆方向）のフェーズを交互に繰り返す。各パルスの持続時間および振幅を調整することで、ラチェットに類似した運動を誘導する。
• 電場シーケンスは、短い鎖が前進フェーズ中に完全に透過する一方で、長い鎖はその透過速度が遅く、後退に対する抵抗が高いため、後退するように設計されている。
• 非対称パルス（τ→ / τ← ≠ 1 かつ ΔV→ / ΔV← ≠ 1）を用いることで、短い鎖に対するネットの方向性バイアスが強化される。
• 2つのプロトコルを用いてシステムを分析する：1つは捕獲直後にラチェットを開始するもの、もう1つは捕獲と透過フェーズを組み合わせたもの。
• 平均透過時間は τ̄ ∼ N^α に比例し、初期構造に応じて α ≈ 1.21–1.31 となる。これによりサイズ依存の分離が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルス電場を用いて、対称ナノポア内に捕獲された半剛直DNA鎖をラチェット運動でサイズに基づいて分離できるか？
• RQ2 パルス電場の周波数および非対称性は、短鎖と長鎖DNA鎖の透過の選択性および効率にどのように影響するか？
• RQ3 ポリマーの初期構造（緩和状態対捕獲状態）は、透過ダイナミクスおよび分離性能にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 パルス周波数またはデューティーサイクルを調整することで、臨界分子サイズカットオフを制御可能か？
• RQ5 この機構を、ナノポアシーケンシングと互換性のあるラボオンチップデバイスで並列運用可能か？

主な発見

• パルス電場ラチェット機構は、短いDNA鎖の透過を成功裏に実現するとともに、長い鎖の後退を促進し、ポリエレクトロライドの効果的なローパスフィルタを実現した。
• 非対称パルスは、短い鎖に対するネットの方向性バイアスを高めることで、分離効率を顕著に向上させ、選択性とスループットを向上させた。
• 平均透過時間は、捕獲状態では τ̄ ∼ N^1.21、緩和状態では τ̄ ∼ N^1.28 に比例し、強いサイズ依存性を示した。
• 捕獲過程ではポリマーの構造が変化する：鎖の端がポアに近づくと、回転半径Rg²は約8Rgoから約5Rgoに減少するが、その後鎖がポア内に入るとさらに圧縮される。
• 捕獲後、N > 40 の鎖は自由状態のそれよりもよりコンactに収縮するが、グラフト鎖はわずかにより伸びた状態を維持する。
• 本手法はスケーラブルであり、ナノポアシーケンシングデバイスへの統合が可能で、連続的かつラベルフリー、高分解能なサイズに基づく分離を実現できる。