[论文解读] Direct measurements reveal non-Markovian fluctuations of DNA threading through a solid-state nanopore

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

Nanopore and Nanochannel Transport Studies被引用 7

一句话总结

本研究利用DNA哑铃标记物直接测量DNA通过固态纳米孔时的速率与涨落。研究发现，随着流体动力学阻力增加，DNA速率降低约5%，并识别出与穿膜时间相当的时间尺度上的长程、非马尔可夫性速率相关性，表明存在超扩散动力学及由构象随机性引起的非热涨落。

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.

研究动机与目标

• 直接测量DNA通过固态纳米孔时的速率变化。
• 研究穿膜涨落的性质，超越平衡态模型。
• 确定流体动力学阻力和构象随机性对穿膜动力学的影响。
• 通过量化动态涨落，提升基于纳米孔的DNA分析中的定位精度。
• 通过实验观测超扩散行为和长时相关性，验证粗粒度模拟。

提出的方法

• 设计了一段7.2 kbp的双链DNA，其中六处均匀分布的DNA哑铃发夹标记物作为位置报告器。
• 使用28个碱基的突出发夹结构，在DNA轮廓上形成高信号、低干扰的标记物。
• 在多个电压下，利用锥形石英纳米孔进行数千次穿膜测量。
• 通过分析标记物的穿膜时间，以高时间分辨率提取局部速率与涨落。
• 应用流体动力学模型，将速率变化与DNA受限和张力传播导致的阻力增加相关联。
• 使用相关性分析识别出衰减常数约为100 μs的非马尔可夫性速率涨落。

实验结果

研究问题

• RQ1 DNA在通过固态纳米孔时的实际速率变化是什么？
• RQ2 穿膜涨落是否为马尔可夫性，还是表现出长程时间相关性？
• RQ3 除了简单的偏置扩散模型外，导致穿膜时间分布展宽的原因是什么？
• RQ4 流体动力学阻力和DNA构象动力学如何共同影响速率变化？
• RQ5 初始DNA构型和构象随机性在多大程度上驱动非热涨落？

主要发现

• 在穿膜过程中测得DNA平均速率降低约5%，归因于更多DNA进入锥形孔道后流体动力学阻力持续增加。
• 速率涨落表现出长寿命相关性，衰减常数约为100 μs，表明存在非马尔可夫性动力学。
• 穿膜时间方差沿DNA链呈现超扩散标度，证实非热性、构象随机性是主要涨落来源。
• 观测到的涨落无法仅由热噪声解释，与包含构象随机性的粗粒度模拟结果一致。
• 纳米孔几何形状和宽孔径（14 ± 3 nm）最小化了表面相互作用，确认涨落主要源于内部动力学而非外部力。
• 使用DNA哑铃标记物可实现高精度、实时的穿膜动力学追踪，具备单片段分辨率。