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2011 | OriginalPaper | Buchkapitel

14. Nanopore Force Spectroscopy: Insights from Molecular Dynamics Simulations

verfasst von : Jeffrey Comer, Aleksei Aksimentiev

Erschienen in: Nanopores

Verlag: Springer US

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Abstract

Nanopore force spectroscopy (NFS) has emerged as a convenient method to characterize the behavior of single biomolecules and biomolecular assemblies under force. NFS has many advantages over conventional single molecule techniques, such as being label-free and high throughput; however, NFS lacks direct control over the force applied to the biomolecules and registers the conformational transitions induced by the force only indirectly, by monitoring changes in the ionic current passing through the pore. In this chapter, we describe how all-atom molecular dynamics simulations can complement NFS experiments by providing information inaccessible to experiment. The chapter illustrates applications of the molecular dynamics (MD) method to interpret the results of NFS measurements, characterize the forces involved and determine the microscopic origin of the observed phenomena. Important technical aspects of the method, as well as its pitfalls and limitations are briefly discussed.

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Literatur
2.
Zurück zum Zitat R. Simmons, J. Finer, S. Chu, J. Spudich, Biophys. J. 70(4), 1813 (1996)CrossRef R. Simmons, J. Finer, S. Chu, J. Spudich, Biophys. J. 70(4), 1813 (1996)CrossRef
3.
Zurück zum Zitat J. Moffitt, Y. Chemla, S. Smith, C. Bustamante, Ann. Rev. Biochem 77, 205 (2008)CrossRef J. Moffitt, Y. Chemla, S. Smith, C. Bustamante, Ann. Rev. Biochem 77, 205 (2008)CrossRef
4.
Zurück zum Zitat S. Smith, L. Finzi, C. Bustamante, Science 258(5085), 1122 (1992)CrossRef S. Smith, L. Finzi, C. Bustamante, Science 258(5085), 1122 (1992)CrossRef
5.
6.
Zurück zum Zitat C. Lee, Y. Wang, L. Huang, S. Lin, Micron 38(5), 446 (2007)CrossRef C. Lee, Y. Wang, L. Huang, S. Lin, Micron 38(5), 446 (2007)CrossRef
7.
Zurück zum Zitat E. Evans, K. Ritchie, R. Merkel, Biophys. J. 68, 2580 (1995)CrossRef E. Evans, K. Ritchie, R. Merkel, Biophys. J. 68, 2580 (1995)CrossRef
8.
Zurück zum Zitat W. Chen, E. Evans, R. McEver, C. Zhu, Biophys. J. 94(2), 694 (2008)CrossRef W. Chen, E. Evans, R. McEver, C. Zhu, Biophys. J. 94(2), 694 (2008)CrossRef
9.
Zurück zum Zitat S. Kim, P. Blainey, C. Schroeder, X. Xie, Nature Meth. 4(5), 397 (2007) S. Kim, P. Blainey, C. Schroeder, X. Xie, Nature Meth. 4(5), 397 (2007)
10.
Zurück zum Zitat I. Tinoco, Jr., C. Bustamante, Biophys. Chem. 101–102, 513 (2002)CrossRef I. Tinoco, Jr., C. Bustamante, Biophys. Chem. 101–102, 513 (2002)CrossRef
11.
12.
Zurück zum Zitat O. Dudko, G. Hummer, A. Szabo, Phys. Rev. Lett. 96(10), 108101 (2006)CrossRef O. Dudko, G. Hummer, A. Szabo, Phys. Rev. Lett. 96(10), 108101 (2006)CrossRef
13.
Zurück zum Zitat C. Ho, R. Qiao, A. Chatterjee, R.J. Timp, N.R. Aluru, G. Timp, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 10445 (2005)CrossRef C. Ho, R. Qiao, A. Chatterjee, R.J. Timp, N.R. Aluru, G. Timp, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 10445 (2005)CrossRef
14.
Zurück zum Zitat J. Mathé, H. Visram, V. Viasnoff, Y. Rabin, A. Meller, Biophys. J. 87, 3205 (2004)CrossRef J. Mathé, H. Visram, V. Viasnoff, Y. Rabin, A. Meller, Biophys. J. 87, 3205 (2004)CrossRef
15.
Zurück zum Zitat J. Mathé, A. Arinstein, Y. Rabin, A. Meller, Europhys. Lett. 73, 128 (2006)CrossRef J. Mathé, A. Arinstein, Y. Rabin, A. Meller, Europhys. Lett. 73, 128 (2006)CrossRef
16.
Zurück zum Zitat O.K. Dudko, J. Mathé, A. Szabo, A. Meller, G. Hummer, Biophys. J. 92, 4188 (2007)CrossRef O.K. Dudko, J. Mathé, A. Szabo, A. Meller, G. Hummer, Biophys. J. 92, 4188 (2007)CrossRef
17.
18.
Zurück zum Zitat Q. Zhao, J. Comer, V. Dimitrov, A. Aksimentiev, G. Timp, Nucl. Acids Res. 36(5), 1532 (2008). DOI 10.1093/nar/gkm1017 Q. Zhao, J. Comer, V. Dimitrov, A. Aksimentiev, G. Timp, Nucl. Acids Res. 36(5), 1532 (2008). DOI 10.1093/nar/gkm1017
19.
20.
Zurück zum Zitat J. Comer, V. Dimitrov, Q. Zhao, G. Timp, A. Aksimentiev, Biophys. J. 96(2), 593 (2009). DOI 10.1016/j.bpj.2008.09.023CrossRef J. Comer, V. Dimitrov, Q. Zhao, G. Timp, A. Aksimentiev, Biophys. J. 96(2), 593 (2009). DOI 10.1016/j.bpj.2008.09.023CrossRef
21.
Zurück zum Zitat B. Hornblower, A. Coombs, R.D. Whitaker, A. Kolomeisky, S.J. Picone, A. Meller, M. Akeson, Nature Mater. 4, 315 (2007) B. Hornblower, A. Coombs, R.D. Whitaker, A. Kolomeisky, S.J. Picone, A. Meller, M. Akeson, Nature Mater. 4, 315 (2007)
22.
Zurück zum Zitat Q. Zhao, G. Sigalov, V. Dimitrov, B. Dorvel, U. Mirsaidov, S. Sligar, A. Aksimentiev, G. Timp, Nano Lett. 7, 1680 (2007). DOI 10.1021/nl070668cCrossRef Q. Zhao, G. Sigalov, V. Dimitrov, B. Dorvel, U. Mirsaidov, S. Sligar, A. Aksimentiev, G. Timp, Nano Lett. 7, 1680 (2007). DOI 10.1021/nl070668cCrossRef
23.
Zurück zum Zitat B. Dorvel, G. Sigalov, Q. Zhao, J. Comer, V. Dimitrov, U. Mirsaidov, A. Aksimentiev, G. Timp, Nucl. Acids Res. 37, 4170 (2009). DOI 10.1093/nar/gkp317CrossRef B. Dorvel, G. Sigalov, Q. Zhao, J. Comer, V. Dimitrov, U. Mirsaidov, A. Aksimentiev, G. Timp, Nucl. Acids Res. 37, 4170 (2009). DOI 10.1093/nar/gkp317CrossRef
24.
Zurück zum Zitat C. Goodrich, S. Kirmizialtin, B. Huyghues-Despointes, A. Zhu, J. Scholtz, D. Makarov, L. Movileanu, J. Phys. Chem. B 111(13), 3332 (2007)CrossRef C. Goodrich, S. Kirmizialtin, B. Huyghues-Despointes, A. Zhu, J. Scholtz, D. Makarov, L. Movileanu, J. Phys. Chem. B 111(13), 3332 (2007)CrossRef
25.
Zurück zum Zitat Z. Siwy, L. Trofin, P. Kohli, L. Baker, C. Trautmann, C. Martin, J. Am. Chem. Soc. 127(14), 5000 (2005)CrossRef Z. Siwy, L. Trofin, P. Kohli, L. Baker, C. Trautmann, C. Martin, J. Am. Chem. Soc. 127(14), 5000 (2005)CrossRef
26.
27.
Zurück zum Zitat G. Sigalov, J. Comer, G. Timp, A. Aksimentiev, Nano Lett. 8, 56 (2008). DOI 10.1021/nl071890kCrossRef G. Sigalov, J. Comer, G. Timp, A. Aksimentiev, Nano Lett. 8, 56 (2008). DOI 10.1021/nl071890kCrossRef
28.
Zurück zum Zitat U. Keyser, B. Koeleman, S. Dorp, D. Krapf, R. Smeets, S. Lemay, N. Dekker, C. Dekker, Nature Phys. 2, 473 (2006)CrossRef U. Keyser, B. Koeleman, S. Dorp, D. Krapf, R. Smeets, S. Lemay, N. Dekker, C. Dekker, Nature Phys. 2, 473 (2006)CrossRef
29.
30.
Zurück zum Zitat H. Chang, F. Kosari, G. Andreadakis, M.A. Alam, G. Vasmatzis, R. Bashir, Nano Lett. 4, 1551 (2004)CrossRef H. Chang, F. Kosari, G. Andreadakis, M.A. Alam, G. Vasmatzis, R. Bashir, Nano Lett. 4, 1551 (2004)CrossRef
31.
Zurück zum Zitat R.M. Smeets, U. Keyser, D. Krapf, M.Y. Wu, N. Dekker, C. Dekker, Nano Lett. 6, 89 (2006)CrossRef R.M. Smeets, U. Keyser, D. Krapf, M.Y. Wu, N. Dekker, C. Dekker, Nano Lett. 6, 89 (2006)CrossRef
32.
Zurück zum Zitat J.C. Phillips, R. Braun, W. Wang, J. Gumbart, E. Tajkhorshid, E. Villa, C. Chipot, R.D. Skeel, L. Kale, K. Schulten, J. Comp. Chem. 26, 1781 (2005)CrossRef J.C. Phillips, R. Braun, W. Wang, J. Gumbart, E. Tajkhorshid, E. Villa, C. Chipot, R.D. Skeel, L. Kale, K. Schulten, J. Comp. Chem. 26, 1781 (2005)CrossRef
33.
Zurück zum Zitat W.D. Cornell, P. Cieplak, C.I. Bayly, I.R. Gould, K.M. Merz, Jr., D.M. Ferguson, D.C. Spellmeyer, T. Fox, J.W. Caldwell, P.A. Kollman, J. Am. Chem. Soc. 117, 5179 (1995)CrossRef W.D. Cornell, P. Cieplak, C.I. Bayly, I.R. Gould, K.M. Merz, Jr., D.M. Ferguson, D.C. Spellmeyer, T. Fox, J.W. Caldwell, P.A. Kollman, J. Am. Chem. Soc. 117, 5179 (1995)CrossRef
34.
Zurück zum Zitat A. Perez, I. Marchan, D. Svozil, J. Sponer, T.E. Cheatham, C.A. Laughton, M. Orozco, Biophys. J. 92, 3817 (2007)CrossRef A. Perez, I. Marchan, D. Svozil, J. Sponer, T.E. Cheatham, C.A. Laughton, M. Orozco, Biophys. J. 92, 3817 (2007)CrossRef
35.
Zurück zum Zitat A.D. MacKerell, Jr., D. Bashford, M. Bellott, R.L. Dunbrack, Jr., J. Evanseck, M.J. Field, S. Fischer, J. Gao, H. Guo, S. Ha, D. Joseph, L. Kuchnir, K. Kuczera, F.T.K. Lau, C. Mattos, S. Michnick, T. Ngo, D.T. Nguyen, B. Prodhom, I.W.E. Reiher, B. Roux, M. Schlenkrich, J. Smith, R. Stote, J. Straub, M. Watanabe, J. Wiorkiewicz-Kuczera, D. Yin, M. Karplus, J. Phys. Chem. B 102, 3586 (1998)CrossRef A.D. MacKerell, Jr., D. Bashford, M. Bellott, R.L. Dunbrack, Jr., J. Evanseck, M.J. Field, S. Fischer, J. Gao, H. Guo, S. Ha, D. Joseph, L. Kuchnir, K. Kuczera, F.T.K. Lau, C. Mattos, S. Michnick, T. Ngo, D.T. Nguyen, B. Prodhom, I.W.E. Reiher, B. Roux, M. Schlenkrich, J. Smith, R. Stote, J. Straub, M. Watanabe, J. Wiorkiewicz-Kuczera, D. Yin, M. Karplus, J. Phys. Chem. B 102, 3586 (1998)CrossRef
36.
Zurück zum Zitat J. Comer, D.B. Wells, A. Aksimentiev, in DNA Nanotechnology: Methods and Protocols, Methods in Molecular Biology, vol. 749, DOI 10.1007/978-1-61779-142-0_22, Springer Science+Business Media, LLC 2011 J. Comer, D.B. Wells, A. Aksimentiev, in DNA Nanotechnology: Methods and Protocols, Methods in Molecular Biology, vol. 749, DOI 10.1007/978-1-61779-142-0_22, Springer Science+Business Media, LLC 2011
37.
Zurück zum Zitat M. Newman, T. Strzelecka, L. Dorner, I. Schildkraut, A. Aggarwal, Science 269(5224), 656 (1995)CrossRef M. Newman, T. Strzelecka, L. Dorner, I. Schildkraut, A. Aggarwal, Science 269(5224), 656 (1995)CrossRef
38.
Zurück zum Zitat J. Watson, M. Gilman, J. Witkowski, M. Zoller, Recombinant DNA: a short course (WH Freeman, 1992) J. Watson, M. Gilman, J. Witkowski, M. Zoller, Recombinant DNA: a short course (WH Freeman, 1992)
39.
Zurück zum Zitat F. Sanger, S. Nicklen, A. Coulson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74(12), 5463 (1977)CrossRef F. Sanger, S. Nicklen, A. Coulson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74(12), 5463 (1977)CrossRef
40.
Zurück zum Zitat J. Shendure, G. Porreca, N. Reppas, X. Lin, J. McCutcheon, A. Rosenbaum, M. Wang, K. Zhang, R. Mitra, G. Church, Science 309(5741), 1728 (2005)CrossRef J. Shendure, G. Porreca, N. Reppas, X. Lin, J. McCutcheon, A. Rosenbaum, M. Wang, K. Zhang, R. Mitra, G. Church, Science 309(5741), 1728 (2005)CrossRef
41.
Zurück zum Zitat R. Saiki, S. Scharf, F. Faloona, K. Mullis, G. Horn, H. Erlich, N. Arnheim, Science 230(4732), 1350 (1985)CrossRef R. Saiki, S. Scharf, F. Faloona, K. Mullis, G. Horn, H. Erlich, N. Arnheim, Science 230(4732), 1350 (1985)CrossRef
42.
Zurück zum Zitat A. Jeltsch, J. Alves, H. Wolfes, G. Maass, A. Pingoud, Biochemistry 33(34), 10215 (1994)CrossRef A. Jeltsch, J. Alves, H. Wolfes, G. Maass, A. Pingoud, Biochemistry 33(34), 10215 (1994)CrossRef
43.
44.
Zurück zum Zitat H. Grubmüller, B. Heymann, P. Tavan, Science 271, 997 (1996)CrossRef H. Grubmüller, B. Heymann, P. Tavan, Science 271, 997 (1996)CrossRef
45.
Zurück zum Zitat B. Isralewitz, S. Izrailev, K. Schulten, Biophys. J. 73, 2972 (1997)CrossRef B. Isralewitz, S. Izrailev, K. Schulten, Biophys. J. 73, 2972 (1997)CrossRef
47.
Zurück zum Zitat M. Wanunu, J. Sutin, B.M. B, A. Chow, A. Meller, Biophys. J. 95, 4716 (2008) M. Wanunu, J. Sutin, B.M. B, A. Chow, A. Meller, Biophys. J. 95, 4716 (2008)
48.
Zurück zum Zitat J. Nakane, M. Wiggin, A. Marziali, Biophys. J. 87, 615 (2004)CrossRef J. Nakane, M. Wiggin, A. Marziali, Biophys. J. 87, 615 (2004)CrossRef
49.
Zurück zum Zitat M. Wiggin, C. Tropini, V. Tabard-Cossa, N. Jetha, A. Marziali, Biophys. J. 95, 5317 (2008)CrossRef M. Wiggin, C. Tropini, V. Tabard-Cossa, N. Jetha, A. Marziali, Biophys. J. 95, 5317 (2008)CrossRef
50.
Zurück zum Zitat J. Mathé, A. Aksimentiev, D.R. Nelson, K. Schulten, A. Meller, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 12377 (2005). DOI 10.1073/pnas.0502947102CrossRef J. Mathé, A. Aksimentiev, D.R. Nelson, K. Schulten, A. Meller, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 12377 (2005). DOI 10.1073/pnas.0502947102CrossRef
51.
Zurück zum Zitat B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter, Molecular Biology of The Cell, 4th edn. (Garland Science, New York & London, 2002) B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter, Molecular Biology of The Cell, 4th edn. (Garland Science, New York & London, 2002)
52.
Zurück zum Zitat A. Guttmacher, F. Collins, New England J. Med. 347(19), 1512 (2002)CrossRef A. Guttmacher, F. Collins, New England J. Med. 347(19), 1512 (2002)CrossRef
54.
Zurück zum Zitat N. Ashkenasy, J. Sánchez-Quesada, H. Bayley, M.R. Ghadiri, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 44, 1401 (2005)CrossRef N. Ashkenasy, J. Sánchez-Quesada, H. Bayley, M.R. Ghadiri, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 44, 1401 (2005)CrossRef
55.
Zurück zum Zitat D. Branton, D. Deamer, A. Marziali, H. Bayley, S. Benner, T. Butler, M. Di Ventra, S. Garaj, A. Hibbs, X. Huang, et al., Nature Biotech. 26(10), 1146 (2008)CrossRef D. Branton, D. Deamer, A. Marziali, H. Bayley, S. Benner, T. Butler, M. Di Ventra, S. Garaj, A. Hibbs, X. Huang, et al., Nature Biotech. 26(10), 1146 (2008)CrossRef
56.
57.
Zurück zum Zitat J. Clarke, H. Wu, L. Jayasinghe, A. Patel, S. Reid, H. Bayley, Nature Nanotech. 4(4), 265 (2009)CrossRef J. Clarke, H. Wu, L. Jayasinghe, A. Patel, S. Reid, H. Bayley, Nature Nanotech. 4(4), 265 (2009)CrossRef
58.
Zurück zum Zitat M. Rief, H. Clausen-Schaumann, H.E. Gaub, Nature Struct. Biol. 6, 346 (1999)CrossRef M. Rief, H. Clausen-Schaumann, H.E. Gaub, Nature Struct. Biol. 6, 346 (1999)CrossRef
59.
Zurück zum Zitat A. Aksimentiev, K. Schulten, Biophys. J. 88, 3745 (2005). DOI 10. 1529/biophysj.104.058727CrossRef A. Aksimentiev, K. Schulten, Biophys. J. 88, 3745 (2005). DOI 10. 1529/biophysj.104.058727CrossRef
60.
Zurück zum Zitat D.B. Wells, V. Abramkina, A. Aksimentiev, J. Chem. Phys. 127, 125101 (2007). DOI 10.1063/1.2770738CrossRef D.B. Wells, V. Abramkina, A. Aksimentiev, J. Chem. Phys. 127, 125101 (2007). DOI 10.1063/1.2770738CrossRef
62.
Zurück zum Zitat B. Luan, A. Aksimentiev, Phys. Rev. E 78, 021912 (2008). DOI 10.1103/PhysRevE.78.021912CrossRef B. Luan, A. Aksimentiev, Phys. Rev. E 78, 021912 (2008). DOI 10.1103/PhysRevE.78.021912CrossRef
63.
Zurück zum Zitat S. van Dorp, U.F. Keyser, N.H. Dekker, C. Dekker, S.G. Lemay, Nature Phys. 5, 347 (2009)CrossRef S. van Dorp, U.F. Keyser, N.H. Dekker, C. Dekker, S.G. Lemay, Nature Phys. 5, 347 (2009)CrossRef
64.
Zurück zum Zitat A. Aksimentiev, J.B. Heng, G. Timp, K. Schulten, Biophys. J. 87, 2086 (2004). DOI 10.1529/biophysj.104.042960CrossRef A. Aksimentiev, J.B. Heng, G. Timp, K. Schulten, Biophys. J. 87, 2086 (2004). DOI 10.1529/biophysj.104.042960CrossRef
65.
Zurück zum Zitat J.B. Heng, A. Aksimentiev, C. Ho, P. Marks, Y.V. Grinkova, S. Sligar, K. Schulten, G. Timp, Biophys. J. 90, 1098 (2006). DOI 10.1529/biophysj.105.070672CrossRef J.B. Heng, A. Aksimentiev, C. Ho, P. Marks, Y.V. Grinkova, S. Sligar, K. Schulten, G. Timp, Biophys. J. 90, 1098 (2006). DOI 10.1529/biophysj.105.070672CrossRef
66.
Zurück zum Zitat M. Wu, D. Krapf, M. Zandbergen, H. Zandbergen, P. Batson, Applied Physics Letters 87, 113106 (2005)CrossRef M. Wu, D. Krapf, M. Zandbergen, H. Zandbergen, P. Batson, Applied Physics Letters 87, 113106 (2005)CrossRef
Metadaten
Titel
Nanopore Force Spectroscopy: Insights from Molecular Dynamics Simulations
verfasst von
Jeffrey Comer
Aleksei Aksimentiev
Copyright-Jahr
2011
Verlag
Springer US
DOI
https://doi.org/10.1007/978-1-4419-8252-0_14

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