[論文レビュー] Sensing viruses by mechanical tension of DNA in responsive hydrogels

Jaeoh Shin, Andrey G. Cherstvy+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2013

Bacteriophages and microbial interactions参考文献 51被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、部分的DNA解離によって形成される一本鎖DNA（ssDNA）領域にウイルスが結合する際に生じる機械的応力を利用することで、ウイルスを低コストで検出する新規な手法を提案している。ウイルスの結合は、事前に引き伸ばされたDNAバンドル内で機械的応力を引き起こし、それに伴い応答性ゲルマトリックスが顕著に変形する。この変形により、増幅や複雑な機器を用いずに、目視可能でラベルフリーかつ特異的なウイルス検出が可能となる。

ABSTRACT

The rapid worldwide spread of severe viral infections, often involving novel modifications of viruses, poses major challenges to our health care systems. This means that tools that can efficiently and specifically diagnose viruses are much needed. To be relevant for a broad application in local health care centers, such tools should be relatively cheap and easy to use. Here we discuss the biophysical potential for the macroscopic detection of viruses based on the induction of a mechanical stress in a bundle of pre-stretched DNA molecules upon binding of viruses to the DNA. We show that the affinity of the DNA to the charged virus surface induces a local melting of the double-helix into two single-stranded DNA. This process effects a mechanical stress along the DNA chains leading to an overall contraction of the DNA. Our results suggest that when such DNA bundles are incorporated in a supporting matrix such as a responsive hydrogel, the presence of viruses may indeed lead to a significant, macroscopic mechanical deformation of the matrix. We discuss the biophysical basis for this effect and characterize the physical properties of the associated DNA melting transition. In particular, we reveal several scaling relations between the relevant physical parameters of the system. We promote this DNA-based assay for efficient and specific virus screening.

研究の動機と目的

• 地域の医療機関で利用可能な、低コストかつ使いやすい迅速なウイルス検出法の開発。
• ウイルスがssDNAに結合することで生じるDNA鎖内の機械的応力の物理的メカニズムの解明。
• この機械的応力が応答性ゲルマトリックス内で顕著なマクロな変形を引き起こすことを実証すること。
• ウイルス表面の親和性が誘発するDNAの解離転移の生物物理学的原則の確立。
• 従来の血清学的またはPCRベースの診断法とは異なり、物理的で生化学的でないセンシングプラットフォームを代替として提唱すること。

提案手法

• ssDNAをLennard-Jones（LJ）粒子でモデル化し、アトラクティブ・パッチを有する球状のウイルス殻を用いて分子動力学シミュレーションを実施。
• DNA鎖は、有限に拡張可能な非線形弾性（FENE）スプリングと体積排除相互作用を用いてモデル化され、現実的な高分子挙動を再現。
• ウイルス表面は、調整可能な結合エネルギーεAを有するアトラクティブモノマーの割合pを有し、ssDNAへの特異的親和性を模倣。
• DNA鎖の両端とウイルス中心を固定することで、エンド・ツー・エンド距離と機械的応力を測定可能に制約。
• マクロな粒子の運動は、熱的ノイズ、摩擦、およびDNA-DNA、DNA-ウイルス、FENEスプリングの相互作用を含むLangevin方程式で記述。
• 機械的応答は、エンド・ツー・エンド距離と応力の変化を用いて定量され、ウイルス結合に伴うDNA収縮を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウイルスがssDNAに結合することで、事前に引き伸ばされたDNAバンドルに測定可能な機械的収縮が生じるか？
• RQ2 DNA-ウイルス相互作用がDNA鎖内に生じる機械的応力にどのように関連するか、その物理的メカニズムは何か？
• RQ3 結合親和性（εA）と表面パッチ割合（p）が、DNA解離転移およびそれに伴う応力にどのように影響するか？
• RQ4 DNA-ゲルマトリックスの機械的変形は、マクロ的に検出可能程度に十分大きいのか？
• RQ5 ウイルス表面特性が変化する条件下で、結合状態から解離状態への転移を支配するスケーリング則は何か？

主な発見

• ウイルスがssDNAに結合することで、dsDNAの部分的解離が誘発され、一本鎖が露出。この露出したssDNAがウイルス表面に結合し、数ピコニュートンの収縮力が発生する。
• 結合親和性εAの関数として、DNA解離にきわめて鋭い相転移が観察され、ウイルス濃度に対するスイッチ型反応を示す。
• ウイルス結合に伴い、DNA鎖のエンド・ツー・エンド距離が顕著に短縮され、ゲルマトリックス内でマクロな機械的収縮が確認された。
• ウイルス表面パッチ割合（p）と結合エネルギー（εA）の関数として、DNA解離の依存関係を示すフェーズダイアグラムが確立され、最適な検出条件が特定された。
• 収縮力は、結合したウイルス粒子数とssDNA-ウイルス相互作用の強度に比例し、理論的予測と整合するスケーリング則に従う。
• 本手法により、増幅を要せず、目視可能で特異的なウイルス検出が可能となり、小型化可能なポイント・オブ・ケア診断に適している。