Translokationsdynamik von polynukleotiden durch biologische poren in elektrischen Feldern

• Applicant: Professor Dr. Peter Reimann
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics ; Theoretical Condensed Matter Physics
• Term: from 2012 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 225908050

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Die Translokation von Polymeren durch Protein- oder Festkörper-Poren wird seit etwa zwanzig Jahren sehr intensiv erforscht. Als prominenteste Triebfeder wird dabei oft die kommerzielle Verwertbarkeit, das Fernziel der günstigen und schnellen Sequenzierung von DNA aufgeführt. Dazu wurden in letzter Zeit eine Vielzahl kreativer experimenteller Ansätze entwickelt. Grundlegende Aspekte sind jedoch nach wie vor noch nicht hinreichend gut verstanden. Dieses Projekt befasste sich mit solchen zentralen theoretischen Fragestellungen der Polymerdynamik in Nanoporen. Ein erstes Resultat war eine Erweiterung der Gültigkeit und Anwendbarkeit des auf diesem Gebiet zentralen Modells von Lubensky und Nelson von 1999 für die Verteilung der Passagezeiten von einzelsträngiger DNA und RNA durch die Proteinpore α-Hämolysin. In diesem Rahmen konnten wir auch den Einfluss der Orientierung der Polynukleotide durch das Modell beschreiben, sowie die Abhängigkeit vom angelegten elektrischen Potential. In einem nächsten Schritt betrachteten wir die elektrohydrodynamischen Effekte, welche in der Regel die auf das Polymer wirkenden Kräfte dominieren. Als Ansatz benutzten wir ein für diese Phänomene etabliertes Kontinuums-Modell. Durch Erweiterung dieses Modells konnten wir experimentelle Leitfähigkeits-messungen, elektrokinetische Kräfte auf Polymere in Nanoporen und deren Einfluss auf die Translokationsdynamik erklären, sowie einige wichtige Parameter, wie zum Beispiel die Membran-Oberflächenladung bestimmen.

Publications

• On the Lubensky-Nelson Model of Polymer Translocation through Nanopores, Biophys. J. 103, 889 (2012)
  P. Reimann, A. Meyer, and S. Getfert
  
• Opposite translocation of long and short oligomers through a nanopore, Phys. Rev. E 87, 062710 (2013)
  S. Getfert, T. Töws, and P. Reimann
  
• Reluctance of a neutral nanoparticle to enter a charged pore. Phys. Rev. E 88, 052710 (2013)
  S. Getfert, T. Töws, and P. Reimann
  
• Hydrodynamic slip on DNA observed by optical tweezers-controlled translocation experiments with solid-state and lipid-coated nanopores, Nano Lett. 14 , 4176 (2014)
  L. Galla, A. J. Meyer, A. Spiering, A. Sischka, M. Mayer, A. R. Hall, P. Reimann, and D. Anselmetti
  
• Controlled translocation of DNA through nanopores in carbon nano-, siliconnitride- and lipid-coated membranes, Analyst 140, 4843 (2015)
  A. Sischka, L. Galla, A. J. Meyer, A. Spiering, S. Knust, M. Mayer, A. R. Hall, A. Beyer, P. Reimann, A. Gölzhäuser, and D. Anselmetti