[论文解读] Ratcheting charged polymers through symmetric nanopores using pulsed fields: Designing a low pass filter for concentrating DNA

Le Qiao, Gary W. Slater+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2021

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出一种在对称纳米孔中由脉冲电场驱动的棘轮机制，可选择性地转运短链DNA分子，同时将较长的DNA分子回缩，从而将系统转变为有效的低通滤波器，实现基于尺寸的DNA分离。通过朗之万动力学模拟，作者证明了非对称脉冲场可显著提升效率，实现通过调节频率对短聚电解质进行高纯度浓缩，并实现可调的截断尺寸。

ABSTRACT

We present a new concept for the separation of DNA molecules by contour length that combines a nanofluidic ratchet, nanopore translocation and pulsed fields. Using Langevin Dynamics simulations, we show that it is possible to design pulsed field sequences to ratchet captured semiflexible molecules in such a way that only short chains successfully translocate, effectively transforming the nanopore process into a low pass molecular filter. We also show that asymmetric pulses can significantly enhance the device efficiency. The process itself can be performed with many pores in parallel, and it should be possible to integrate it directly into nanopore sequencing devices, increasing its potential utility.

研究动机与目标

• 开发一种新型基于尺寸分离DNA分子的方法，以克服传统凝胶电泳和现有纳米流体器件的局限性。
• 解决传统分离技术分辨率差、效率低的问题，特别是针对长链或尺寸相近的DNA分子。
• 设计一种利用脉冲电场的棘轮机制，实现短链DNA的选择性转运，同时通过双向运动将较长链DNA回缩。
• 证明非对称脉冲场可显著提升分离效率，并实现对临界分子尺寸截断点的精确控制。
• 将所提出的机制集成到可扩展、并行化的纳米孔系统中，兼容纳米孔测序平台。

提出的方法

• 本研究采用朗之万动力学模拟，模拟在施加电场下，半柔性DNA链在对称纳米孔中的运动行为。
• 实施脉冲场协议，包含交替的正向（转运）和反向（回缩）阶段，通过调节每个脉冲的持续时间和幅度，诱导类似棘轮的运动。
• 场序设计为：短链在正向阶段可完全转运，而长链因转运动力学较慢且回缩阻力较高而被回缩。
• 采用非对称脉冲——即 τ→ / τ← ≠ 1 且 ΔV→ / ΔV← ≠ 1——以增强对短链的净定向偏置。
• 在两种协议下对系统进行分析：一种是在捕获后立即启动棘轮，另一种是结合捕获和转运阶段。
• 平均转运时间满足 τ̄ ∼ N^α，其中 α ≈ 1.21–1.31，具体取决于初始构象，实现基于尺寸的分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用脉冲电场在对称纳米孔中对捕获的半柔性DNA链实现棘轮运动，以实现基于尺寸的分离？
• RQ2 脉冲场的频率和非对称性如何影响短链与长链DNA转运的选择性和效率？
• RQ3 聚合物的初始构象（松弛态与捕获态）在多大程度上影响转运动力学和分离性能？
• RQ4 通过调节脉冲频率或占空比，能否实现对临界分子尺寸截断点的调控？
• RQ5 该机制是否可行实现并行化操作，集成于与纳米孔测序兼容的芯片实验室设备中？

主要发现

• 脉冲场棘轮机制成功实现短链DNA的转运，同时将长链DNA回缩，有效构建了聚电解质的低通滤波器。
• 非对称脉冲显著提升了分离效率，通过增强对短链的净定向偏置，提高了选择性和通量。
• 平均转运时间满足 τ̄ ∼ N^1.21（对于捕获构象）和 τ̄ ∼ N^1.28（对于松弛链），表明具有强烈的尺寸依赖性。
• 聚合物在捕获过程中构象发生变化：当链端从 ~8Rgo 移动至 ~5Rgo 时，回转半径平方 Rg² 翻倍，随后在进入孔道时进一步压缩。
• 捕获后，N > 40 的链比其自由状态下的构象更紧凑，而接枝链则保持略微更伸展的状态。
• 该方法具备可扩展性，且可与纳米孔测序设备集成，实现连续、无标记、高分辨率的基于尺寸的分离。