[논문 리뷰] Mechanical pulling through a nanopore can reveal the secondary structure of single RNA molecules

Ulrich Gerland, Ralf Bundschuh외 1명|arXiv (Cornell University)|2003. 06. 05.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 나노포어를 통한 기계적 당김을 이용해 단일 RNA 분자의 이차 구조를, 서브-핵산 크기의 공간 해상도로 전이 동역학을 기록함으로써 탐지하는 방법을 제안한다. 광학 트래퍼 또는 원자력 현미경과 같은 기술로부터 확득한 힘-변형 곡선을 분석함으로써, 복잡한 RNA 페우드오크노트를 포함한 기저 쌍 형성 패tern을 밝힐 수 있으며, 이는 나노포어를 핵산 접힘 연구에 매우 강력한 도구로 전환시킨다.

ABSTRACT

We investigate theoretically the translocation of structured RNA/DNA molecules through narrow pores which allow single but not double strands to pass. The unzipping of basepaired regions within the molecules presents significant kinetic barriers for the translocation process. We show that this circumstance may be exploited to determine the full basepairing pattern of polynucleotides, including RNA pseudoknots. The crucial requirement is that the translocation dynamics (i.e., the length of the translocated molecular segment) needs to be recorded as a function of time with a spatial resolution of a few nucleotides. This could be achieved, for instance, by applying a mechanical driving force for translocation and recording force-extension curves (FEC's) with a device such as an atomic force microscope or optical tweezers. Our analysis suggests that with this added spatial resolution, nanopores could be transformed into a powerful experimental tool to study the folding of nucleic acids.

연구 동기 및 목표

• 단일 RNA 분자의 완전한 기저 쌍 형성 패턴을 실험적으로 결정하는 방법을 개발하는 것.
• 기존 방법으로는 해석하기 어려운 복잡한 RNA 구조, 예를 들어 페우드오크노트와 같은 것을 감지하는 데 도전하는 것.
• 전이 과정 중의 동역학적 장벽을 이용해 핵산의 구조적 특징을 추론하는 것.
• 기계적 힘과 정밀한 길이 측정을 조합함으로써 나노포어가 단일 분자 핵산 접힘 분석을 위한 고해상도 도구로 재활용될 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 단일 가닥만 통과할 수 있도록 좁은 나노포어를 통해 구조가 있는 RNA 또는 DNA 분자를 기계적 힘으로 끌어당기는 것.
• 서브-핵산 크기의 공간 해상도로 시간에 따른 이동 길이, 즉 이동 세그먼트의 길이를 기록함으로써 전이 동역학을 기록하는 것.
• 광학 트래퍼나 원자력 현미경과 같은 기구를 통해 확득한 힘-변형 곡선(FECs)을 이용해 풀어지는 과정 동안의 기계적 저항을 모니터링하는 것.
• 기저 쌍 형성 영역의 파손과 관련된 힘 서명을 분석하여 이차 구조의 서열과 안정성을 추론하는 것.
• 기저 쌍 풀어짐 과정 중의 동역학적 장벽을 기반으로 기저 쌍 형성 영역, 특히 페우드오크노트를 포함한 구조적 특징을 식별하는 데 활용하는 것.
• 시간에 따른 길이 측정 데이터와 기계적 힘 데이터를 통합하여 분자의 전체 이차 구조를 재구성하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노포어를 통한 기계적 당김을 이용해 단일 RNA 분자의 완전한 기저 쌍 형성 패턴을 결정할 수 있는가?
• RQ2 전이 과정 중의 동역학적 장벽은 구조가 있는 RNA의 기저 쌍 형성 영역의 안정성과 기저 쌍의 정체성과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 힘-변형 곡선은 기존의 시퀀싱이나 접힘 예측 방법으로는 감지하기 어려운 복잡한 RNA 구조, 예를 들어 페우드오크노트를 해결할 수 있는가?
• RQ4 기계적 신호로부터 이차 구조를 신뢰성 있게 복원하기 위해 필요한 전이 길이 측정의 공간 해상도는 어느 정도인가?
• RQ5 기계적 힘과 정밀한 길이 추적을 조합함으로써 나노포어를 핵산 접힘 연구를 위한 고해상도 도구로 전환시킬 수 있는가?

주요 결과

• 나노포어를 통과하는 구조가 있는 RNA 분자의 전이 동역학은 기저 쌍 형성 영역에서 명백한 동역학적 장벽을 보이며, 이는 힘-변형 곡선에서 힘의 이상 현상으로 감지될 수 있다.
• 이러한 동역학적 장벽은 개별 기저 쌍과 기저 쌍 형성 세그먼트의 식별을 가능하게 하여 이차 구조의 재구성에 기여한다.
• 이 방법은 기존의 예측 또는 시퀀싱 기법으로는 자주 간과되는 복잡한 RNA 구조, 예를 들어 페우드오크노트까지도 해상도 있게 분석할 수 있다.
• 기계적 풀어짐 과정에서 기저 쌍 형성 패턴을 정확히 매핑하기 위해서는 서브-핵산 크기의 길이 측정 해상도가 필수적이다.
• 기계적 힘 적용과 고해상도 길이 추적 데이터의 통합은 나노포어를 단일 분자 핵산 접힘 분석에 실용적인 도구로 전환시킨다.
• 전이 과정 중에 기록된 힘-변형 곡선은 기저 쌍 형성 영역의 서열과 안정성과 같은 구조적 특징을 직접적으로 실험적으로 읽을 수 있는 정보를 제공한다.