[論文レビュー] Topological digestion drives time-varying rheology of entangled DNA fluids

Davide Michieletto, Philip Neill+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2021

Rheology and Fluid Dynamics Studies参考文献 81被引用数 20

ひとこと要約

本研究では、制限酵素を用いたDNAの酵素的トポロジカルな再構成が、絡み合ったDNAフラUIDにおける時間変動する流れの性質を駆動することを示している。スーパコiled DNAを線形形に変換することで、粘度は単調に増加する。逆に、線形DNAが断片化すると、粘度は普遍的に低下する。著者らは、一時的な粘度ピークの後にゲーテッド低下を示すフラUIDを設計し、酵素濃度およびDNAトポロジーを制御することで、時間依存の流動特性を正確かつ調整可能に制御することに成功した。

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.

研究の動機と目的

• 酵素的DNAトポロジー変化が、絡み合った高分子フラUIDの時間依存的流れの性質に与える影響を理解すること。
• DNAトポロジー（スーパコイル、環状、線形）が、複雑なフラUIDにおける粘度および弾性をどのように規定するかを調査すること。
• 制御された酵素的消化を通じて、DNAベースのフラUIDにおける連続的かつイン・サイトでの流れの性質の調整法を開発すること。
• 混合せずに、連続的なトポロジー組成の範囲で高分解能かつ時間分解能の高い粘度測定を実現するプラットフォームを示すこと。
• プログラマブルな時間的流れのプロファイルを有する、刺激応答性かつ非平衡状態の高分子フラUIDを設計するためのフレームワークを確立すること。

提案手法

• 酵素的DNA消化中に時間分解能で粘度の変化を測定するマイクロレオロジー法。
• DNAトポロジーおよびサイズ分布の変化と流れの性質の相関を調べるゲル電気泳動。
• トポロジカル遷移のダイナミクスとフラUIDの粘弾性への影響をモデル化するブラウン運動シミュレーション。
• 線形DNAの断片化に伴う普遍的な粘度低下を説明するためのリビングポリマー理論。
• 切断特異性が異なる複数の制限酵素を用いて、消化キネティクスおよびトポロジー変換経路を制御すること。
• 1つのサンプル系で複雑で時間的ゲーティングされた粘度プロファイルを実現するためのマルチ酵素キットの設計。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制限酵素を用いたスーパコイルDNAから線形DNAへの変換が、絡み合ったDNAフラUIDの粘度および弾性に与える影響は何か？
• RQ2 絡み合った線形DNA系において、DNAの断片化と粘度低下の定量的関係は何か？
• RQ3 制御されたトポロジカル再構成により、DNAベースのフラUIDの粘度を一時的に増加させた後、ゲーテッド低下を示すように設計可能か？
• RQ4 酵素濃度、種類、DNA構成のトポロジーを変化させることで、流れの応答をどの程度調整可能か？
• RQ5 イン・サイトでの酵素的消化が、サンプルの混合を伴わずに、複数のトポロジー比の範囲で高分解能かつ連続的な粘度サンプリングを可能にする仕組みは何か？

主な発見

• 制限酵素によるスーパコイルDNAから線形DNAへの変換は、粘度の単調な増加および弾性の発現を引き起こす。
• 絡み合った線形DNAの断片化は、リビングポリマー理論の予測と整合する普遍的な粘度低下をもたらす。
• 複数の制限酵素を組み合わせることで、時間依存の粘度増加に続く一時的ゲーテッド低下を示すDNAフラUIDを著者らが設計した。
• 流れの性質の変化の大きさおよび時間スケールは、制限酵素の濃度および種類、および初期のDNAトポロジーを調整することで正確に調整可能である。
• イン・サイトでの消化により、4時間以内に24種類の異なるトポロジー比をカバーする、連続的かつ高分解能の粘度サンプリングが可能となり、従来の混合ベースのサンプル調製の限界を克服した。
• 不可逆的なトポロジカル変化によって非平衡状態に駆動されるシステムであり、流れの進化は、新たな平衡状態への熱力学的緩和に起因する。