Statistical and thermodynamical properties of DNA unzipping experiments with optical tweezers

Abstract

[eng] Molecular biophysics is a scientific discipline that studies biomolecules. This discipline has experienced a revolution thanks to the development of single- molecule techniques. These techniques allows us to obtain new and valuable information that complements the traditional bulk assays. Optical tweezers is an experimental technique that uses the radiation pressure of light to exert forces on a tiny dielectric microsphere. Biomolecules can be bonded to such microspheres in order to perform pulling experiments at the single- molecule level. Minitweezers is a dual counter-propagating laser tweezers instrument that measures the force exerted on the microsphere by conservation of light momentum. The instrument has high stability and resolution (0.1 pN in force and 0.5 nm in distance) in the measurements. The properties of the DNA molecule can be studied with the Minitweezers at the single-molecule level. The DNA is a biomolecule that forms a double helix that stores the genetic information of the cells. DNA unzipping experiments consist in pulling apart the two strands of DNA by exerting mechanical forces on the extremities of the molecule. In such process, basepairs (bp) are disrupted sequentially, showing a succession of cooperative unzipping regions (CUR) of different sizes (between 1–100 bp). In a DNA unzipping experiment, we measure the force vs. distance curve (FDC) of the molecule, which has a characteristic sawtooth-like shape that is sequence-dependent. The FDC is analyzed with a Bayesian approach to infer the size distribution of the CURs. The experimental accuracy does not allow to observe CURs of sizes below 10 bp. Furthermore, the unzipping of one bp at a time can only be achieved by having an optical trap stiffness value higher than 0.1 N/m, which corresponds to the stiffness of a single nucleotide of DNA. This has been deduced from a toy model specifically introduced to study the CUR size distributions. In addition, the FDCs are theoretically predicted by the nearest-neighbor (NN) model adapted to unzipping experiments. The NN model describes the hybridization reaction of two strands of DNA. By fitting the experimental FDCs to the model, the unique 10 NN bp free energies are obtained with 0.1 kcal mol−1 precision between 10 mM–1 M of monovalent salt concentration. The results show that the unzipping FDCs and the melting temperatures of oligos are correctly described with a specific salt correction for each of the 10 NN bp free energies. Differently from the previous experiments, the unzipping of DNA can also be performed at con- trolled force. These last type of experiments exhibit large hysteresis and irreversibility. The free energy landscape is a tool that helps to understand the unzipping at controlled force. Finally, the work presented in this thesis can be extended to find practical applications of DNA unzipping, such as sequencing of DNA by force, and measurement of thermodynamic properties of biomolecules in conditions not accessible by bulk methodologies.

[cat] La biofísica molecular és una disciplina científica que estudia les biomolècules. Aquesta disciplina ha experimentat una revolució gràcies al desenvolupament de les tècniques de manipulació de molècules individuals. Aquestes tècniques permeten obtenir nous tipus de mesures que complementen les tècniques tradicionals realitzades en volum (és a dir, amb quantitats de molècules de l’ordre del mol). Les pinces òptiques són una tècnica experimental que utilitza la pressió de radiació de la llum per exercir forces en microesferes dielèctriques. Les biomolècules poden enllaçar-se amb aquestes microesferes per tal de realitzar experiments d’estirament. Les Minipinces són un instrument de pinces òptiques amb dos làsers contra-propagants que utilitza la conservació del moment lineal de la llum per tal de mesurar la força exercida sobre les microesferes. L’instrument té una gran estabilitat i resolució (0.1 pN en força i 0.5 nm en distància) en les mesures. Les propietats de l’ADN es poden estudiar amb les Minipinces a nivell de molècules individuals. L’ADN és una biomolècula formada per una doble hèlix que emmagatzema la informació genètica de la cèl·lula. Els experiments de ruptura mecànica de l’ADN consisteixen a separar les dues cadenes mitjançant l’aplicació de força als extrems de la molècula. En aquest procés, els parells de bases (pb) són romputs seqüencialment, mostrant una successió de regions cooperatives de ruptura (RCR) de diferents grandàries (entre 1–100 pb). En un experiment de ruptura d’ADN, es mesuren les corbes de força vs. distància (CFD) de la molècula. Aquestes corbes tenen una forma característica de dent de serra que depèn de la seqüència de la molècula. La CFD s’analitza d’acord amb una aproximació bayesiana per tal d’inferir la distribució de grandàries de les RCRs. La precisió experimental no permet observar RCRs de grandàries inferiors als 10 pb. A més, la ruptura dels parells de bases d’un en un només es pot assolir si es disposa d’una trampa òptica amb una rigidesa superior als 0.1 N/m. Aquest valor coincideix amb la rigidesa d’un únic nucleòtid d’ADN i s’ha deduït a partir d’un model de joguina específicament introduït per tal d’estudiar les distribucions de grandàries de les CFD. Per altra banda, les CFD es poden predir teòricament mitjan¸cant el model de primers veïns (PV) adaptat als experiments de ruptura. El model de PV descriu la reacció d’hibridació de dues cadenes d’ADN. Ajustant les mesures experimentals de les CFD al model de PV, es poden obtenir les 10 energies de formació a PV amb una precisió de 0.1 kcal mol−1 entre 10 mM–1 M de concentració de cations monovalents. Els resultats mostren que les CFD de ruptura i les temperatures de desnaturalització d’oligonucleòtids es poden descriure correctament amb una correcció específica de sal per a cadascuna de les 10 energies de formació a PV. Per altra banda, la ruptura d’ADN també es pot realitzar a força controlada. Aquest tipus d’experiments presenten molta histèresi i són irreversibles. El paisatge d’energia lliure és una eina que ajuda a entendre aquest tipus d’experiments a força controlada. Finalment, el treball presentat en aquesta tesi es pot estendre per tal de trobar aplicacions pràctiques a la ruptura de l’ADN, com ara la seqüenciació de l’ADN per aplicació de força, i la mesura de les propietats termodinàmiques de les molècules en aquelles condicions en que els experiments de volum no són factibles.