[논문 리뷰] Direct measurements reveal non-Markovian fluctuations of DNA threading through a solid-state nanopore

Nicholas A. W. Bell, Ulrich F. Keyser|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 15.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 고체상 나노포어를 통과하는 DNA 이행 중 속도와 변동성을 직접 측정하기 위해 DNA 더블버드 마커를 사용한다. 수압 저항 증가로 인한 5%의 속도 감소를 규명하고, 이행 시간과 유사한 시간 스케일에서 장거리 비마르코프성 속도 상관관계를 밝혀내어 초분산 역학과 구성적 확률성에서 기인하는 비열적 변동성을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고체상 나노포어를 통과하는 DNA 이행 중 속도 변화를 직접 측정하기.
• 평형 모델을 초월한 이행 변동성의 성격을 조사하기.
• 수압 저항과 구성적 확률성의 이행 역학에 대한 영향을 규명하기.
• 동적 변동성을 정량화하여 나노포어 기반 DNA 분석의 위치 정확도를 향상시키기.
• 초거시적 시뮬레이션을 검증하기 위해 초분산 행동과 장수명 상관관계를 실험적으로 관찰하기.

제안 방법

• 6개의 균일하게 분포된 DNA 더블버드 헤어핀 마커를 포함한 7.2 kbp의 이중화된 DNA를 설계하여 위치 보고자로 기능시켰다.
• 28개 염기의 돌출 헤어핀을 사용하여 DNA 윤곽선 상에 고신호, 저교란 마커를 생성했다.
• 콘용 석영 나노포어를 사용해 다수의 전압에서 수천 번의 이행 측정을 수행했다.
• 마커의 이행 시간 분석을 통해 고시간 해상도로 국소 속도와 변동성을 추출했다.
• 수압 모델을 적용하여 DNA 봉쇄와 긴장 전파로 인한 저항 증가와 속도 변화의 관계를 규명했다.
• 상관 분석을 통해 약 100 μs의 감쇠 상수를 가지는 비마르코프성 속도 변동성을 확인했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고체상 나노포어를 통과하는 DNA의 실제 속도 변화는 무엇인가?
• RQ2 이행 변동성은 마르코프성인가, 아니면 장거리 시간 상관관계를 보이는가?
• RQ3 간단한 편향 확산 모델을 초월해 관측된 이행 시간의 산란은 무엇에 기인하는가?
• RQ4 수압 저항과 DNA 구조적 동역학은 속도 변화에 어떤 기여를 하는가?
• RQ5 초기 DNA 구조와 구성적 확률성은 비열적 변동성에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 이행 중 DNA 속도 평균이 5% 감소한 것이 측정되었으며, 이는 더 많은 DNA가 콘용 나노포어에 진입함에 따라 증가하는 수압 저항으로 기인한다.
• 속도 변동성이 약 100 μs의 감쇠 상수를 가지며 장수명 상관관계를 보이며, 비마르코프성 역학을 시사한다.
• 이행 시간 분산이 DNA 사슬에 따라 초분산적으로 증가함을 확인하여, 비열적, 구성적 확률성의 주요 변동성 기여원임을 확인한다.
• 관측된 변동성은 열 노이즈만으로는 설명될 수 없으며, 구성적 무작위성을 포함한 초거시적 시뮬레이션과 일치한다.
• 나노포어 기하학적 구조와 넓은 지름(14 ± 3 nm)은 표면 상호작용을 최소화하여, 변동성이 주로 내부 역학에서 기인함을 확인한다.
• DNA 더블버드 마커의 사용은 단일 세그먼트 해상도로 고정밀 실시간 이행 역학 추적을 가능하게 한다.