[论文解读] 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 20

一句话总结

本研究证明，通过限制性内切酶介导的DNA拓扑重构，可驱动缠结DNA流体的时间可变流变行为。将超螺旋DNA转化为线性形式会导致黏度单调增加；相反，线性DNA的断裂则普遍降低黏度。作者设计了一种流体，其表现出瞬时黏度峰值，随后出现受控下降，从而通过酶浓度和DNA拓扑结构实现对时间依赖性流体行为的精确、可调制控制。

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.

研究动机与目标

• 理解DNA的酶促拓扑变化如何影响缠结聚合物流体的时间依赖性流变行为。
• 探讨DNA拓扑结构（超螺旋、环状和线性）在决定复杂流体中黏度和弹性方面的作用。
• 开发一种通过受控酶消化实现DNA基流体中连续、原位流变性质调制的方法。
• 展示一种平台，可在无需样品混合的情况下，对一系列连续拓扑组成实现高分辨率、时间分辨的黏度测量。
• 建立设计刺激响应性、非平衡态聚合物流体的框架，实现可编程的时间流变特性。

提出的方法

• 时间分辨显微流变学，用于实时测量酶消化过程中DNA流变性质的演化。
• 凝胶电泳，用于关联DNA拓扑结构和尺寸分布的变化与流变行为的关系。
• 布朗运动模拟，用于建模拓扑转变的动力学及其对流体黏弹性的影响。
• 活体聚合物理论，用于解释线性DNA断裂过程中观察到的普遍黏度下降现象。
• 使用多种具有不同切割特异性的限制性内切酶，以控制消化动力学和拓扑转化路径。
• 设计多酶混合液，实现在单一样品体系中复杂、时间门控的黏度轮廓。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过限制性内切酶将超螺旋DNA转化为线性DNA，如何影响缠结DNA流体的黏度和弹性？
• RQ2 在缠结的线性DNA体系中，DNA断裂与黏度降低之间的定量关系是什么？
• RQ3 是否可以通过受控的拓扑重构，使DNA基流体的黏度表现出先瞬时增加后受控下降的特性？
• RQ4 通过改变酶浓度、类型和DNA构建体拓扑结构，流变响应可在多大程度上被调制？
• RQ5 原位酶消化如何实现无需样品混合，在一系列拓扑组成范围内对黏度进行高分辨率、连续采样？

主要发现

• 通过限制性内切酶消化将超螺旋DNA转化为线性DNA，导致黏度单调增加，并引发弹性行为的出现。
• 缠结线性DNA的断裂导致黏度普遍下降，与活体聚合物理论的预测一致。
• 通过组合多种限制性内切酶，作者设计出一种DNA流体，其表现出随时间变化的黏度先增加后受时间门控下降的特性。
• 流变变化的幅度和时间尺度可通过调节限制性内切酶的浓度和类型以及初始DNA拓扑结构精确调控。
• 原位消化可在四小时内实现对24种不同拓扑比例的连续、高分辨率黏度采样，克服了传统混合式样品制备方法的局限性。
• 该系统因不可逆的拓扑变化而处于非平衡态，流变演化源于向新平衡态的热力学弛豫过程。