Conformational transition of a single DNA molecule confined in a dense array of nanoposts

Abstract

최근에 다양한 응용분야에서 DNA를 활용되어지고 있습니다. 특히, DNA는 오래 지속될 수 있고 많은 양의 정보를 저장할 수 있는 장점을 가지기 때문에 디지털 정보를 저장하는 저장매체로 제안되었습니다. 다양한 응용분야에 DNA를 효과적으로 활용하기 위해서는 DNA의 구조를 효율적으로 조절하여 이를 저장하는 방법을 개발하는 것은 매우 중요합니다. 이 논문에서는 나노스케일의 기둥을 규칙적으로 배열해 놓은 나노포스트 배열을 DNA의 구조를 효과적으로 조절하는 틀로서 제안하고자 나노포스트의 규모와 배열간격에 차이에 따른 DNA구조에 관한 시뮬레이션 연구를 수행하였습니다. 이 시뮬레이션의 주요 변수는 나노포스트의 규모(나노포스트의 지름), 나노포스트의 배열(나노포스트의 중심과 중심사이의 거리) 입니다. 먼저, 나노포스트 배열안에서의 기본적인 고분자의 성질을 이해하고자, 유연한 고분자를 모델링하여 시뮬레이션을 수행하였습니다. 그 결과, 나노포스트의 지름을 고정시키고 나노포스트의 배열을 가까이 할수록 고분자의 크기가 증가했고, 나노포스트의 배열이 일정할 때는 나노포스트의 지름이 커질수록 고분자의 크기는 증가했습니다. 하지만 흥미롭게도 나노포스트 표면과 표면사이거리(나노포스트의 중삼과 중심사이 거리에서 나노포스트의 지름을 뺀 값) 즉 통로거리가 일정할 때는 고분자가 갇히는 제한공간의 크기가 줄어들수록 고분자의 크기가 증가하다 감소하는 비단조적은 결과를 보였습니다. 이 비단조적인 크기경향은 나노포스트안에서 고분자가 나노포스트와 평행한 방향으로 elongation되려는 힘과 고분자가 나노포스트 사이사이를 지나가며 나노포스트와 수직한 방향으로 퍼져있으려는 경향의 상호작용으로 해석할 수 있습니다. 구체적으로 네 개의 나노포스트로 둘러싸여있는 공간의 크기가 각각의 공간을 이어주는 통로의 크기보다 더 클 때, 고분자가 나노포스트로 둘러싸여 있는 공간에 머무는 것을 선호하게 되어 그 안에서 elongation됩니다. 반면에, 공간의 크기와 통로의 크기의 차이가 크지 않을 때, 고분자는 엔트로피적 이득을 얻기 위해 한 공간에 머무는 것보다 여러 공간에 걸쳐 spreading 하게됩니다. 따라서 공간의 크기가 줄어들면서 처음에는 고분자가 elongation되면서 고분자의 크기가 증가하다가, 공간의 크기가 통로의 크기와 차이가 줄어들면 고분자가 한 공간에 머무는 것보다 통로를 지나가 여러 공간에 걸쳐 머무르는 것이 더 안정하게 되기 때문에 고분자가 spreading하게 되고 따라서 고분자의 크기가 감소하게 됩니다. 우리는 이 결과를 좀 더 실제적인 DNA model을 적용해 보고자 실제 세포내에 존재하는 bead-on-a-string구조를 모방한 histone-complexed DNA(hcDNA) 모델을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였습니다. hcDNA는 유연한 고분자보다 훨씬 뻣뻣하고 복잡한 구조를 가지고 있기 때문에 나노포스트 배열안에서 받는 갇힘효과는 정량적으로 다릅니다. 하지만, 시뮬레이션 결과에서 갇힘효과가 절량적 차이를 보일지라도 나노포스트로 둘러싸인 공간과 통로의 크기의 비율에 의해 hcDNA의 구조가 결정되었습니다. 유연한 고분자는 비율이 3.5이상일때 한 공간에 머물러 elongation되는 경향을 보였지만, hcDNA는 2.5이상일 때 한 공간에 머물고 길게 elongation되었습니다. 결과적으로, 나노포스트의 크기와 배열을 정교하게 조절하면 이 안에서 DNA의 구조를 효과적으로 조절할 수 있습니다. 비록 이 논문에서는 하나의 DNA의 구조에 대한 결과였지만 수많은 DNA분자들도 나노포스트 배열안에서 각각 DNA분자의 구조가 효과적으로 조절될 것이라 예측합니다.;In recent years, a variety of future DNA applications such as media for digital information storage or as the template for development of nanodevices have been proposed. Especially, the development of effective methods to store DNA molecules in a controlled manner will be critical in applications, such that lengthy DNA molecule encoded with specific information is stored separately on demand of the corresponding genomic information. Here, we present a hybrid Monte Carlo simulation on the conformation of a histone complexed DNA(hcDNA) molecule confined in a dense array of nanopost to propose the ability to separate but intergrated organization of the DNA molecule in a dense array of nanoposts. In case of single, flexible polymer chain confined in a dense array of nanoposts, the degree of chain elongation varies in a non-monotonic fashion depending on the dimensions of nanopost array and it interpreted in terms of competitive effects of confinement in the inter-post spaces and passage spaces. The competitive effect of the hcDNA molecule is quantitatively different from that of the flexible polymer chain since hcDNA molecule is more rigid and complicated complex. However, there is only quantitative differences and the conformation transition of the hcDNA molecule depending on the dimensions of nanopost array shows a similar tendency. Consequently, the hcDNA molecule is mostly localized in a single inter-post space in nanopost array with the specific ratio of passage width and inter-post volume. These results present that hcDNA molecules in an elaborately designed nanopost array can be organized in a controlled manner suitable for future applications.