[论文解读] Sensing viruses by mechanical tension of DNA in responsive hydrogels

Jaeoh Shin, Andrey G. Cherstvy+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2013

Bacteriophages and microbial interactions参考文献 51被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖且低成本的病毒检测方法，通过利用病毒结合单链DNA（ssDNA）区域（部分DNA解链过程中形成）时在预拉伸DNA束中诱导的机械张力来实现。病毒结合会引发DNA的收缩力，导致响应性水凝胶基质发生宏观形变，从而实现肉眼可见、无需标记、特异性的病毒检测，且无需扩增或复杂仪器。

ABSTRACT

The rapid worldwide spread of severe viral infections, often involving novel modifications of viruses, poses major challenges to our health care systems. This means that tools that can efficiently and specifically diagnose viruses are much needed. To be relevant for a broad application in local health care centers, such tools should be relatively cheap and easy to use. Here we discuss the biophysical potential for the macroscopic detection of viruses based on the induction of a mechanical stress in a bundle of pre-stretched DNA molecules upon binding of viruses to the DNA. We show that the affinity of the DNA to the charged virus surface induces a local melting of the double-helix into two single-stranded DNA. This process effects a mechanical stress along the DNA chains leading to an overall contraction of the DNA. Our results suggest that when such DNA bundles are incorporated in a supporting matrix such as a responsive hydrogel, the presence of viruses may indeed lead to a significant, macroscopic mechanical deformation of the matrix. We discuss the biophysical basis for this effect and characterize the physical properties of the associated DNA melting transition. In particular, we reveal several scaling relations between the relevant physical parameters of the system. We promote this DNA-based assay for efficient and specific virus screening.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、易于使用、适用于基层医疗中心的快速病毒检测诊断方法。
• 探索病毒结合ssDNA如何在DNA链中诱导机械张力的物理机制。
• 证明这种机械张力可导致响应性水凝胶基质发生宏观形变。
• 建立病毒表面亲和力诱导DNA解链转变的生物物理原理。
• 推广一种物理性、非生化传感平台，作为传统血清学或PCR检测的替代方案。

提出的方法

• 研究采用Lennard-Jones（LJ）粒子的分子动力学模拟，对ssDNA和带有吸引性斑块的球形病毒外壳进行建模。
• DNA链通过有限可拉伸非线性弹性（FENE）弹簧和排斥体积相互作用进行建模，以捕捉真实的聚合物行为。
• 病毒表面具有分数p的吸引性单体，其结合能εA可调，以模拟对ssDNA的特异性亲和力。
• 系统通过固定DNA链两端和病毒中心进行约束，以测量端到端距离和机械力。
• 单体动力学由朗之万方程控制，包含热噪声、阻尼力及粒子间相互作用（包括DNA-DNA、DNA-病毒和FENE弹簧相互作用）。
• 通过端到端距离和力的变化量化机械响应，表明病毒结合后DNA发生收缩。

实验结果

研究问题

• RQ1 病毒结合ssDNA是否能引起预拉伸DNA束的可测量机械收缩？
• RQ2 DNA-病毒相互作用与DNA中机械应力之间的物理机制是什么？
• RQ3 结合亲和力（εA）和表面斑块分数（p）如何影响DNA解链转变及产生的力？
• RQ4 DNA-水凝胶基质的机械形变是否足以在宏观尺度上被检测到？
• RQ5 在病毒表面特性变化条件下，从结合态到解链态转变的标度律是什么？

主要发现

• 病毒结合ssDNA会诱导部分双链DNA（dsDNA）解链，暴露单链区域，使其与病毒表面结合，产生数皮牛顿量级的收缩力。
• 系统在结合亲和力εA随变化时表现出DNA解链的急剧相变，表明对病毒浓度具有类似开关的响应特性。
• DNA链的端到端距离在病毒结合后显著减小，证明其在水凝胶基质中可被宏观检测到的机械收缩。
• 建立了相图，显示DNA解链对病毒表面斑块分数（p）和结合能（εA）的依赖关系，揭示了最佳检测条件。
• 收缩力与结合病毒颗粒数及ssDNA-病毒相互作用强度成正比，其标度关系与理论预测一致。
• 该方法可实现特异性、无需扩增、肉眼可见的病毒检测，适用于微型化即时检测诊断。