[论文解读] Mechanical pulling through a nanopore can reveal the secondary structure of single RNA molecules

Ulrich Gerland, Ralf Bundschuh+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2003

Nanopore and Nanochannel Transport Studies被引用 3

一句话总结

本文提出通过纳米孔中的机械拉伸，结合亚核苷酸级空间分辨率记录的转位动力学，探测单个RNA分子的二级结构。通过分析光学镊子或原子力显微镜等技术获得的力-伸长曲线，该方法可揭示碱基配对模式，包括复杂的RNA假结结构，从而将纳米孔转变为研究核酸折叠的强大工具。

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.

研究动机与目标

• 开发一种实验方法，用于确定单个RNA分子的完整碱基配对模式。
• 解决传统方法难以分辨的复杂RNA结构（如假结）的检测挑战。
• 利用转位过程中的能垒作为推断核酸结构特征的手段。
• 证明当结合机械力与精确长度测量时，纳米孔可被重新用作高分辨率核酸折叠分析工具。

提出的方法

• 施加机械力，将具有结构的RNA或DNA分子拉过仅允许单链通过的狭窄纳米孔。
• 以亚核苷酸级空间分辨率，记录转位片段长度随时间的变化动态。
• 利用光学镊子或原子力显微镜等仪器获得的力-伸长曲线（FECs），监测解旋过程中的机械阻力。
• 分析碱基配对区域断裂相关的力信号，推断二级结构的序列与稳定性。
• 利用碱基配对解旋过程中的动力学能垒作为结构指纹，识别配对区域，包括假结。
• 将时间分辨的长度测量与机械力数据相结合，重建分子的完整二级结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过纳米孔中的机械拉伸来确定单个RNA分子的完整碱基配对模式？
• RQ2 转位过程中的动力学能垒如何与结构化RNA中碱基配对区域的稳定性和身份相关联？
• RQ3 力-伸长曲线能否分辨出标准测序或折叠预测方法难以检测的复杂RNA结构（如假结）？
• RQ4 在转位长度测量中，需要多高的空间分辨率才能可靠地从机械信号解码二级结构？
• RQ5 能否通过施加机械力并精确追踪长度，将纳米孔转变为高分辨率的核酸折叠研究工具？

主要发现

• 结构化RNA分子通过纳米孔的转位动力学在碱基配对区域表现出明显的动力学能垒，这些能垒可在力-伸长曲线中作为力异常被检测到。
• 这些动力学能垒使得能够识别单个碱基对和配对区段，从而实现二级结构的重建。
• 该方法能够分辨复杂的RNA结构，如假结，这些结构常被标准预测或测序技术所遗漏。
• 长度测量中亚核苷酸级的空间分辨率对于在机械解旋过程中准确绘制碱基配对模式至关重要。
• 将机械力施加与高分辨率长度追踪相结合，使纳米孔成为单分子核酸折叠分析的可行工具。
• 转位过程中记录的力-伸长曲线提供了结构特征的直接实验读出，包括配对区域的序列与稳定性。