[論文レビュー] Translocation Mobilities of Proteins in Nanopores: A Coarse-Grained Molecular Dynamics Study

Navaneeth Haridasan, Sridhar Kumar Kannam+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2018

Nanopore and Nanochannel Transport Studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、粗粒度非平衡分子動力学（NEMD）シミュレーションを用いてナノポアを通過するストレプトアビジンの輸送を調査し、ナノポアの半径がタンパク質の水素的半径に近づくにつれて輸送時間は3〜4桁増加することを明らかにした。結果はEinstein-Smoluchowski関係および1次元のバイアス付き拡散モデルとよく一致し、タンパク質センシングへの予測的知見を提供する。

ABSTRACT

We investigate the translocation of a protein through model nanopores using coarse-grained (CG) non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) simulations and compare the results with a continuum model. We considered the effects of nanopore confinement and external force on the translocation of streptavidin through nanopores of dimensions representative of experiments. As the nanopore radius approaches the protein hydrodynamic radius, the translocation times are observed to increase by 3 to 4 orders of magnitude. The mobilities are found to be in reasonable agreement with the prediction from Einstein-Smoluchowski relation where the diffusion coefficient was obtained from EMD simulations. The translocation times are found to be in good agreement with one-dimensional biased diffusion model. The results presented in this paper serve in rationalizing the experimental observations and provide strategic guidelines on choosing parametric conditions for applications such as protein sensors.

研究の動機と目的

• ナノポアの閉じ込めがタンパク質輸送ダイナミクスに与える影響を理解すること。
• 外部力がストレプトアビジンのナノポア通過時間に与える影響を調査すること。
• Einstein-Smoluchowski関係や1次元バイアス付き拡散モデルのような連続体モデルとの整合性を検証すること。
• ナノポアベースのタンパク質センシングシステムの最適化に役立つ予測的ガイドラインを提供すること。

提案手法

• ストレプトアビジンの合成ナノポアを通過する過程をモデル化するため、粗粒度（CG）非平衡分子動力学（NEMD）シミュレーションを用いる。
• 実験的システムを反映するナノポアの寸法を用い、実世界の応用への関連性を確保する。
• 平衡分子動力学（EMD）シミュレーションから得た拡散係数を用いて、Einstein-Smoluchowski関係に従って拡散係数を導出し、シミュレーション結果と比較する。
• 1次元のバイアス付き拡散モデルを適用し、輸送時間を解釈および予測する。
• タンパク質の水素的半径に対するナノポア半径の相対的影響が輸送キネティクスに与える影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノポアの閉じ込め、特にポア半径がタンパク質の水素的半径に近づく場合に、輸送時間にどのような影響を与えるか？
• RQ2 シミュレーションで得られたタンパク質の移動度は、EMDシミュレーションから得た拡散係数を用いたEinstein-Smoluchowski関係の予測とどの程度一致するか？
• RQ3 1次元のバイアス付き拡散モデルは観測された輸送ダイナミクスをどの程度よく記述できるか？
• RQ4 これらの発見は、ナノポアベースのタンパク質センサの設計にどのような意味を持つか？

主な発見

• ナノポア半径がストレプトアビジンの水素的半径に近づくにつれて、輸送時間は3〜4桁増加する。
• EMDシミュレーションから得た拡散係数を用いた場合、シミュレーションで得られたタンパク質の移動度はEinstein-Smoluchowski関係の予測と妥当な一致を示す。
• 輸送時間は1次元バイアス付き拡散モデルによってよく記述されており、ナノポアダイナミクスのモデリングにその適用が有効であることを裏付ける。
• これらの結果は、空間的閉じ込め下での延長輸送が実験的に観察される理由を説明づける。
• 本研究は、ナノポアベースのタンパク質センシングアプリケーションのための、実行可能なガイドライン（例えばポアサイズや印加力のパラメータ条件の選定）を提供する。