[논문 리뷰] Translocation Mobilities of Proteins in Nanopores: A Coarse-Grained Molecular Dynamics Study

Navaneeth Haridasan, Sridhar Kumar Kannam외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 26.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 강력한 비평형 분자역학(NEMD) 시뮬레이션을 사용하여 나노포어를 통과하는 스트렙타비딘의 이동을 조사하며, 나노포어 반지름이 단백질의 유체역학적 반지름에 가까워질수록 이동 시간이 3~4개 항목 증가하는 것으로 나타났다. 결과는 아이노슈치우스키-스몰루초프스키 관계식과 1차원 편향 확산 모델과 잘 일치하며, 단백질 센서 응용 분야에 예측 가능한 통찰을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노포어의 봉쇄가 단백질 이동 동역학에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 외부 힘이 스트렙타비딘의 나노포어를 통과하는 이동 시간에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 시뮬레이션 결과를 아이노슈치우스키-스몰루초프스키 관계식 및 1차원 편향 확산 모델과 같은 연속체 모델과 비교 검증하기 위해.
• 나노포어 기반 단백질 센싱 시스템의 최적화를 위한 예측 가능한 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 합성 나노포어를 통과하는 스트렙타비딘의 이동을 모델링하기 위해 거시적 스케일(비등가) 비평형 분자역학(NEMD) 시뮬레이션을 사용한다.
• 실제 응용에 관련성이 있도록 실험적 시스템을 반영한 나노포어 치수를 사용한다.
• 평형 분자역학(EMD) 시뮬레이션에서 유도된 확산 계수를 사용하여 아이노슈치우스키-스몰루초프스키 관계식과 시뮬레이션 결과를 비교한다.
• 이동 시간을 해석하고 예측하기 위해 일차원 편향 확산 모델을 적용한다.
• 단백질의 유체역학적 반지름에 비해 나노포어 반지름의 영향을 이동 동역학에 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노포어의 봉쇄, 특히 나노포어 반지름이 단백질의 유체역학적 반지름에 가까워질 경우 이동 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 단백질 이동성에 대한 시뮬레이션 결과가 아이노슈치우스키-스몰루초프스키 관계식의 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 일차원 편향 확산 모델이 관측된 이동 동역학을 어느 정도 잘 묘사하는가?
• RQ4 이러한 결과는 나노포어 기반 단백질 센서 설계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 나노포어 반지름이 스트렙타비딘의 유체역학적 반지름에 가까워질수록 이동 시간이 3~4개 항목 증가한다.
• EMD 시뮬레이션에서 유도된 확산 계수를 사용할 경우, 시뮬레이션에서 유도된 단백질 이동성은 아이노슈치우스키-스몰루초프스키 관계식의 예측과 합리적인 일치를 보인다.
• 이동 시간은 일차원 편향 확산 모델에 의해 잘 묘사되며, 이는 나노포어 동역학을 모델링할 때 이 모델을 사용하는 데 유용함을 뒷받침한다.
• 이 결과는 기계적 차폐 조건에서의 장기 이동 관측 결과를 설명할 수 있다.
• 이 연구는 나노포어 기반 단백질 센싱 응용 분야에서 포어 크기 및 적용 힘과 같은 매개변수 조건을 선택하는 데 실질적인 지침을 제공한다.