[논문 리뷰] Topological digestion drives time-varying rheology of entangled DNA fluids

Davide Michieletto, Philip Neill외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 16.

Rheology and Fluid Dynamics Studies참고 문헌 81인용 수 20

한 줄 요약

이 연구는 제한성 엔도뉴클레아제를 통한 DNA의 효소적 위상 재편성에 의해 얽힌 DNA 유체에서 시간에 따라 변화하는 유변학적 거동이 유도됨을 보여준다. 슈퍼코일 DNA가 선형 형태로 전환될 때 점도는 단조롭게 증가하며, 반대로 선형 DNA의 분해는 점도를 일반적으로 감소시킨다. 저자들은 일시적인 점도 피크를 보이고 나서 감소가 제어되는 유체를 설계하여, 효소 농도와 DNA 위상 구조를 조절함으로써 시간에 따라 변화하는 유체 거동을 정밀하게 조절 가능한 방법을 확보하였다.

ABSTRACT

Understanding and controlling the rheology of polymeric complex fluids that are pushed out-of-equilibrium is a fundamental problem in both industry and biology. For example, to package, repair, and replicate DNA, cells use enzymes to constantly manipulate DNA topology, length, and structure. Inspired by this, here we engineer and study DNA-based complex fluids that undergo enzymatically-driven topological and architectural alterations via restriction endonuclease (RE) reactions. We show that these systems display time-dependent rheological properties that depend on the concentrations and properties of the comprising DNA and REs. Through time-resolved microrheology experiments and Brownian Dynamics simulations, we show that conversion of supercoiled to linear DNA topology leads to a monotonic increase in viscosity. On the other hand, the viscosity of entangled linear DNA undergoing fragmentation displays a universal decrease that we rationalize using living polymer theory. Finally, to showcase the tunability of these behaviours, we design a DNA fluid that exhibits a time-dependent increase, followed by a temporally-gated decrease, of its viscosity. Our results present a class of polymeric fluids that leverage naturally occurring enzymes to drive diverse time-varying rheology by performing architectural alterations to the constituents.

연구 동기 및 목표

• 효소적 DNA 위상 변화가 얽힌 고분자 유체의 시간에 따라 변화하는 유변학적 거동에 미치는 영향를 이해하는 것.
• 스피로이드, 원형, 선형 형태의 DNA 위상이 복잡한 유체에서 점도와 탄성에 미치는 영향를 탐색하는 것.
• 제어된 효소적 분해를 통해 DNA 기반 유체의 유변학적 성질을 지속적이고 현장에서 조절할 수 있는 방법을 개발하는 것.
• 혼합 없이 연속적인 위상 조성 범위에서 고해상도의 시간 분해능을 갖춘 점도 측정 플랫폼을 시연하는 것.
• 프로그래밍 가능한 시간적 유변학적 프로파일을 갖춘 자극에 반응하는 비평형 고분자 유체를 설계하기 위한 프레임워크를 수립하는 것.

제안 방법

• 효소적 분해 중 DNA의 점도 변화를 실시간으로 측정하기 위한 시간 분해 미크로유변학.
• DNA 위상과 크기 분포의 변화를 유변학적 거동과 연관시키기 위한 젤 전기영동.
• 위상 전이의 동역학과 유체의 점탄성에 미치는 영향을 모델링하기 위한 브라운 운동 시뮬레이션.
• 선형 DNA 분해 중 관찰된 점도 감소의 일반성에 대한 이론적 근거로 생존 고분자 이론의 적용.
• 분해 속도와 위상 전환 경로를 제어하기 위해 고유한 절단 특이성을 갖는 여러 제한성 엔도뉴클레아제의 사용.
• 단일 샘플 시스템에서 복잡한 시간-가속화된 점도 프로파일을 달성하기 위한 다중효소 혼합물 설계.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제한성 엔도뉴클레아제를 통해 슈퍼코일 DNA가 선형 DNA로 전환될 때, 얽힌 DNA 유체의 점도와 탄성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 얽힌 선형 DNA 시스템에서 DNA 분해와 점도 감소 사이의 정량적 관계는 무엇인가?
• RQ3 제어된 위상 재편성으로 인해 DNA 기반 유체의 점도가 일시적으로 증가한 후 감소하는 형태로 설계될 수 있는가?
• RQ4 효소 농도, 종류, DNA 구조의 위상 변화를 변화시킴으로써 유변학적 반응을 얼마나 정밀하게 조절할 수 있는가?
• RQ5 현장에서의 효소적 분해가 샘플 혼합 없이 다양한 위상 조성 범위에서 고해상도의 연속적 점도 측정을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 제한성 엔도뉴클레아제를 이용한 슈퍼코일 DNA에서 선형 DNA로의 전환은 점도의 단조로운 증가와 탄성의 발생을 유도한다.
• 얽힌 선형 DNA의 분해는 생존 고분자 이론의 예측과 일치하는 점도의 일반적 감소를 초래한다.
• 여러 제한성 엔도뉴클레아제를 조합함으로써 저자들은 시간에 따라 점도가 증가한 후 일정 시간 후 감소하는 특성을 갖는 DNA 유체를 설계하였다.
• 유변학적 변화의 크기와 시간 스케일은 제한성 엔도뉴클레아제의 농도와 종류, 그리고 초기 DNA 위상 구조를 조절함으로써 정밀하게 조절 가능하다.
• 현장에서의 분해는 4시간 이내에 24개의 고유한 위상 비율에 걸쳐 연속적이고 고해상도의 점도 측정을 가능하게 하여 전통적인 혼합 기반 샘플 준비 방식의 한계를 극복한다.
• 유비결정적인 위상 변화에 의해 비평형 상태로 유지되는 시스템에서, 유변학적 변화는 새로운 평형 상태로의 열역학적 회복 과정에서 기인한다.