[논문 리뷰] Controlling DNA Tug-of-War in a Dual Nanopore Device

Xu Liu, Yuning Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 27.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 활성적이고 상반된 전압 제어를 통해 '당김의 싸움' 상태를 만들고, DNA 이동 속도를 최대 두 배수 감속시키면서 접힘 현상을 억제하는 双나노포어 장치를 제시한다. 전기역력의 힘을 균형 잡음으로써, DNA가 두 나노포어 사이에서 확산적으로 제어되는 장시간 이동이 가능해지며, 이로 인해 이동 시간이 증가하고 단일 분자에서 라벨된 기능을 고해상도로 순차적으로 감지할 수 있게 된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고체 상태 나노포어에서의 빠른 DNA 이동이라는 핵심 과제를 해결하기 위해, 감지 해상도와 신호 대 잡음비를 제한하는 원인을 해결한다.
• 두 개의 독립적으로 제어 가능한 나노포어를 사용하여 DNA 이동 속도와 구조를 실시간으로 활성 제어하는 방법을 개발한다.
• 두 나노포어 사이에 전압을 반대 방향으로 가하여 DNA 분자를 펴는 힘을 가함으로써 이동 중 접힘 현상을 억제한다.
• 양쪽 나노포어의 이온 전류를 동시에 모니터링하여 단일 DNA 분자에 있는 물리적 라벨(예: 스테프티아비틴)을 고해상도로 순차적으로 감지할 수 있도록 한다.
• 이동 속도 감소가 하위확산 과정에 대한 1차원 첫 만남 이론을 통해 정량적으로 모델링될 수 있음을 보여준다.

제안 방법

• 웨이퍼 스케일 공정을 사용하여 단일 절연막에 두 개의 나노포어를 제작함으로써, 독립적인 전압 제어 및 이온 전류 감지 기능을 구현한다.
• 현장 프ogram 가능 게이트 어레이(FPGA) 기반 제어 논리가 한 나노포어에서 초기 포착을 감지하고, 두 번째 나노포어의 전압을 반전시켜 '당김의 싸움'을 시작한다.
• 상반된 전압이 작용함으로써 순수한 힘이 거의 0에 가까워지며, DNA는 두 나노포어 사이에서 확산적으로 이동하게 되고, 이동 속도는 전압 조절에 의해 제어된다.
• 초기 한쪽 나노포어에서 포착된 분자에 대해 공포착 효율은 76.8%이며, 전기역력의 힘을 균형 잡음으로써 '당김의 싸움' 상태를 지속할 수 있다.
• 양쪽 나노포어의 이온 전류 신호를 사용하여, 평균 개방 상태 전류에서 5σ 이하의 전류 차단 현상으로서의 부이벤트(예: 모노-스테프티아비틴 태그)를 감지한다.
• 이동 역학은 하위확산 운동에 대한 1차원 첫 만남 이론을 사용하여 모델링되며, '당김의 싸움' 상태 수명에 관찰된 공진형 피크를 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 나노포어 시스템에서 상반된 전압 제어를 통해 DNA 이동 속도를 크게 감속시키고 접힘 현상을 억제할 수 있는가?
• RQ2 어느 전압 조절 조건에서 '당김의 싸움' 상태가 가장 오래 지속되며, 이 상태가 확산적 이동에 의해 지배되는가?
• RQ3 양쪽 나노포어의 이온 전류를 동시에 사용하여 단일 DNA 분자에서 시퀀스 특이적 라벨을 순차적으로 감지할 수 있는가?
• RQ4 하위확산 과정에 대한 첫 만남 이론이 '당김의 싸움' 상태에서 관측된 이동 역학을 어느 정도 정확하게 기술하는가?
• RQ5 이중 나노포어 시스템에서 공포착 및 지속적인 '당김의 싸움' 상태 형성의 효율은 얼마인가?

주요 결과

• 이중 나노포어 시스템은 단일 나노포어 이동 대비 평균 이동 시간을 최대 두 배수 증가시킨다.
• 초기 한쪽 나노포어에서 포착된 분자에 대해 공포착 및 지속적인 '당김의 싸움' 상태 형성 효율은 76.8%이다.
• '당김의 싸움' 상태의 수명 피크는 상반된 힘이 균형을 이루는 조건에서 발생하며, 이는 순수하게 확산적 이동이 지배하는 영역임을 시사한다.
• 이동 속도 감소는 하위확산 과정에 대한 1차원 첫 만남 이론으로 정량적으로 기술되며, 이론 모델의 타당성이 검증된다.
• 양쪽 나노포어의 이온 전류를 통해 모노-스테프티아비틴과 같은 물리적 라벨을 순차적으로 감지할 수 있으며, 이는 평균 전류에서 5σ 이하의 전류 차단 신호로 식별된다.
• 이 방법은 DNA 접힘을 방지함으로써 구조 제어를 가능하게 하며, 감지 향상을 위해 이동 중에 선형으로 펼쳐진 상태를 유지한다.