Experimental study and molecular dynamics (MD) modeling of a nucleic acid in nano-confinement
Etude expérimentale et en modélisation de dynamique moléculaire d'un acide nucléique en nano-confinement
Résumé
Nanopore technology has emerged as a powerful tool for studying biomolecular transport, particularly for the translocation and unzipping of DNA molecules. Experimental studies have shown the ability of α-hemolysin (αHL) nanopores to distinguish between different DNA sequences and ori-entations. However, experimental results primarily provide blocked current and translocation time information, leaving molecular-level details of the unzipping process unexplored. All-atom molecular dynamics (MD) simulations, though informative, are limited by short time scales. Coarse-grained (CG) MD simulations using the MARTINI force field, on the other hand, enable the study of DNA transport over extended time scales, approaching those observed experimentally.This thesis investigates the dynamics of both ssDNA translocation and dsDNA unzipping through the αHL nanopore using a combination of experimental techniques and CG-steered MD (SMD) simulations. Experimental studies explored the translocation times of ssDNA at the 3' and 5' ends, as well as the unzipping times of dsDNA under various conditions, including different duplex structures and applied voltages. Our findings on ssDNA translocation aligned with previous experimental and theoretical results, confirming faster translocation of 3' oriented ssDNA. Additionally, distinct unzipping times were observed for the different duplex structures under identical experimental conditions, with an exponential relationship noted between unzipping time and applied voltage. As the duplex length increased, the unzipping mechanisms appeared to vary depending on the duplex structure. However, the underlying molecular mechanisms behind these translocation and unzipping behaviors remain experimentally inaccessible, highlighting the need for further theoretical studies.By employing CG MD simulations, the influence of ssDNA orientation, sequence composition, and pulling force on translocation dynamics were computationally examined. Our simulation results reproduced the key experimental findings, such as the wide distribution of the translocation times, the orientation-dependent translocation behaviors, the crucial role of electrostatic interactions be-tween DNA and the nanopore, highlighting the impact of DNA phosphate charges on translocation rates, and the sequence-dependent translocation dynamics under varying applied forces. Specifically, the ratio of translocation times of purine and pyrimidine bases was also found to be in good agreement with the experimental findings. As a result of the CG simulations, a non-linear relation-ship between translocation velocity and the applied force was observed. Additionally, differences in DNA conformations inside the nanopore provided additional explanation for the sequence- and orientation-dependent translocation behaviors.This study validates the MARTINI CG model as an effective tool for investigating DNA transport, demonstrating its ability to complement experimental data. Our findings suggest that CG MD simulations are well suited for uncovering the molecular mechanisms underlying DNA unzipping, offering insights that are otherwise inaccessible through current experimental techniques.
La technologie des nanopores s'est imposée comme un outil puissant pour étudier le transport biomoléculaire, en particulier pour la translocation et le dézippage des molécules d'ADN. Les études expérimentales ont montré la capacité des nanopores de l'α-hémolysine (αHL) à distinguer différentes séquences et orientations d'ADN. Cependant, les résultats expérimentaux fournissent principalement des informations sur le courant bloqué et le temps de translocation, laissant les détails au niveau moléculaire du processus de dézippage inexplorés. Bien que les simulations de dynamique moléculaire tout-atome soient informatives, elles sont limitées par des échelles de temps réduites. En revanche, les simulations de dynamique moléculaire à gros-grains utilisant le champ de force MARTINI permettent l'étude du transport de l'ADN sur des échelles de temps plus longues, se rapprochant ainsi de celles observées expérimentalement.Cette thèse explore les dynamiques de translocation de l'ADN simple-brin et de dézippage de l'ADN double-brin à travers le nanopore αHL à l'aide d'approches expérimentales et de simulations de dynamique moléculaire dirigées (SMD) à gros-grains. Les différences de temps de translocation entre les extrémités 3' et 5' de l'ADN simple-brin et les temps de dézippage de l'ADN double-brin dans différentes conditions, telles que la structure du duplex d'ADN et la tension appliquée, ont été observées dans les études expérimentales. En particulier, nous avons mesuré des temps de dézippage distincts pour les molécules d'ADN double-brin utilisées, et il a été observé que la dépendance du temps de dézippage à la tension appliquée suivait une loi exponentielle. À mesure que la longueur du duplex augmente, les mécanismes semblent changer en fonction de la structure du duplex. Cependant, les raisons derrière les comportements de translocation et de dézippage restent inaccessibles expérimentalement.En utilisant des simulations de dynamique moléculaire gros-grains, l'influence de l'orientation de l'ADN simple-brin, de la composition en séquences et de la force appliquée sur les dynamiques de translocation a été examinée de manière computationnelle. Nos résultats de simulation ont reproduit les principales observations expérimentales, telles que la large distribution des temps de translocation, les comportements de translocation dépendants de l'orientation, le rôle crucial des interactions électrostatiques entre l'ADN et le nanopore, soulignant l'impact des charges des phosphates de l'ADN sur les taux de translocation, et les dynamiques de translocation dépendantes des séquences sous des forces appliquées variables. En particulier, le rapport entre les temps de translocation des bases puriques et pyrimidiques a également été en bon accord avec les résultats expérimentaux. À la suite des simulations gros-grains, une relation non linéaire entre la vitesse de translocation et la force appliquée a été observée. De plus, les différences de conformations de l'ADN à l'intérieur du nanopore ont apporté des explications supplémentaires aux comportements de translocation dépendants de la séquence et de l'orientation.Cette étude valide le modèle MARTINI à gros-grains comme un outil efficace pour l'étude du transport de l'ADN, montrant sa capacité à compléter les travaux expérimentaux. Nos résultats suggèrent que les simulations de MD gros-grains sont bien adaptées pour dévoiler les mécanismes moléculaires du dézippage de l'ADN, offrant des perspectives inaccessibles par les techniques expérimentales actuelles.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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