Skip to main content

Nanopore Force Spectroscopy: Insights from Molecular Dynamics Simulations

  • Chapter
  • First Online:
Nanopores

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.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this chapter

Chapter
USD 29.95
Price excludes VAT (USA)
  • Available as PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
eBook
USD 129.00
Price excludes VAT (USA)
  • Available as EPUB and PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
Softcover Book
USD 169.99
Price excludes VAT (USA)
  • Compact, lightweight edition
  • Dispatched in 3 to 5 business days
  • Free shipping worldwide - see info
Hardcover Book
USD 169.99
Price excludes VAT (USA)
  • Durable hardcover edition
  • Dispatched in 3 to 5 business days
  • Free shipping worldwide - see info

Tax calculation will be finalised at checkout

Purchases are for personal use only

Institutional subscriptions

References

  1. K. Neuman, A. Nagy, Nature Meth. 5(6), 491 (2008)

    Article  Google Scholar 

  2. R. Simmons, J. Finer, S. Chu, J. Spudich, Biophys. J. 70(4), 1813 (1996)

    Article  Google Scholar 

  3. J. Moffitt, Y. Chemla, S. Smith, C. Bustamante, Ann. Rev. Biochem 77, 205 (2008)

    Article  Google Scholar 

  4. S. Smith, L. Finzi, C. Bustamante, Science 258(5085), 1122 (1992)

    Article  Google Scholar 

  5. C. Gosse, V. Croquette, Biophys. J. 82(6), 3314 (2002)

    Article  Google Scholar 

  6. C. Lee, Y. Wang, L. Huang, S. Lin, Micron 38(5), 446 (2007)

    Article  Google Scholar 

  7. E. Evans, K. Ritchie, R. Merkel, Biophys. J. 68, 2580 (1995)

    Article  Google Scholar 

  8. W. Chen, E. Evans, R. McEver, C. Zhu, Biophys. J. 94(2), 694 (2008)

    Article  Google Scholar 

  9. S. Kim, P. Blainey, C. Schroeder, X. Xie, Nature Meth. 4(5), 397 (2007)

    Google Scholar 

  10. I. Tinoco, Jr., C. Bustamante, Biophys. Chem. 101–102, 513 (2002)

    Article  Google Scholar 

  11. E. Evans, K. Ritchie, Biophys. J. 72(4), 1541 (1997)

    Article  Google Scholar 

  12. O. Dudko, G. Hummer, A. Szabo, Phys. Rev. Lett. 96(10), 108101 (2006)

    Article  Google Scholar 

  13. C. Ho, R. Qiao, A. Chatterjee, R.J. Timp, N.R. Aluru, G. Timp, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 10445 (2005)

    Article  Google Scholar 

  14. J. Mathé, H. Visram, V. Viasnoff, Y. Rabin, A. Meller, Biophys. J. 87, 3205 (2004)

    Article  Google Scholar 

  15. J. Mathé, A. Arinstein, Y. Rabin, A. Meller, Europhys. Lett. 73, 128 (2006)

    Article  Google Scholar 

  16. O.K. Dudko, J. Mathé, A. Szabo, A. Meller, G. Hummer, Biophys. J. 92, 4188 (2007)

    Article  Google Scholar 

  17. C. Tropini, A. Marziali, Biophys. J. 95, 1632 (2007)

    Article  Google Scholar 

  18. Q. Zhao, J. Comer, V. Dimitrov, A. Aksimentiev, G. Timp, Nucl. Acids Res. 36(5), 1532 (2008). DOI 10.1093/nar/gkm1017

    Google Scholar 

  19. B. McNally, M. Wanunu, A. Meller, Nano Lett. 8, 3418 (2008)

    Article  Google Scholar 

  20. J. Comer, V. Dimitrov, Q. Zhao, G. Timp, A. Aksimentiev, Biophys. J. 96(2), 593 (2009). DOI 10.1016/j.bpj.2008.09.023

    Article  Google Scholar 

  21. B. Hornblower, A. Coombs, R.D. Whitaker, A. Kolomeisky, S.J. Picone, A. Meller, M. Akeson, Nature Mater. 4, 315 (2007)

    Google Scholar 

  22. Q. Zhao, G. Sigalov, V. Dimitrov, B. Dorvel, U. Mirsaidov, S. Sligar, A. Aksimentiev, G. Timp, Nano Lett. 7, 1680 (2007). DOI 10.1021/nl070668c

    Article  Google Scholar 

  23. 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/gkp317

    Article  Google Scholar 

  24. C. Goodrich, S. Kirmizialtin, B. Huyghues-Despointes, A. Zhu, J. Scholtz, D. Makarov, L. Movileanu, J. Phys. Chem. B 111(13), 3332 (2007)

    Article  Google Scholar 

  25. Z. Siwy, L. Trofin, P. Kohli, L. Baker, C. Trautmann, C. Martin, J. Am. Chem. Soc. 127(14), 5000 (2005)

    Article  Google Scholar 

  26. G.V. Soni, A. Meller, Clinical Chemistry 53, 1996 (2007)

    Article  Google Scholar 

  27. G. Sigalov, J. Comer, G. Timp, A. Aksimentiev, Nano Lett. 8, 56 (2008). DOI 10.1021/nl071890k

    Article  Google Scholar 

  28. U. Keyser, B. Koeleman, S. Dorp, D. Krapf, R. Smeets, S. Lemay, N. Dekker, C. Dekker, Nature Phys. 2, 473 (2006)

    Article  Google Scholar 

  29. A. Aksimentiev, Nanoscale 2, 468 (2010). DOI 10.1039/b9nr00275h

    Article  Google Scholar 

  30. H. Chang, F. Kosari, G. Andreadakis, M.A. Alam, G. Vasmatzis, R. Bashir, Nano Lett. 4, 1551 (2004)

    Article  Google Scholar 

  31. R.M. Smeets, U. Keyser, D. Krapf, M.Y. Wu, N. Dekker, C. Dekker, Nano Lett. 6, 89 (2006)

    Article  Google Scholar 

  32. 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)

    Article  Google Scholar 

  33. 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)

    Article  Google Scholar 

  34. A. Perez, I. Marchan, D. Svozil, J. Sponer, T.E. Cheatham, C.A. Laughton, M. Orozco, Biophys. J. 92, 3817 (2007)

    Article  Google Scholar 

  35. 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)

    Article  Google Scholar 

  36. 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

    Google Scholar 

  37. M. Newman, T. Strzelecka, L. Dorner, I. Schildkraut, A. Aggarwal, Science 269(5224), 656 (1995)

    Article  Google Scholar 

  38. J. Watson, M. Gilman, J. Witkowski, M. Zoller, Recombinant DNA: a short course (WH Freeman, 1992)

    Google Scholar 

  39. F. Sanger, S. Nicklen, A. Coulson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74(12), 5463 (1977)

    Article  Google Scholar 

  40. 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)

    Article  Google Scholar 

  41. R. Saiki, S. Scharf, F. Faloona, K. Mullis, G. Horn, H. Erlich, N. Arnheim, Science 230(4732), 1350 (1985)

    Article  Google Scholar 

  42. A. Jeltsch, J. Alves, H. Wolfes, G. Maass, A. Pingoud, Biochemistry 33(34), 10215 (1994)

    Article  Google Scholar 

  43. H. Viadiu, A. Aggarwal, Molecular cell 5(5), 889 (2000)

    Article  Google Scholar 

  44. H. Grubmüller, B. Heymann, P. Tavan, Science 271, 997 (1996)

    Article  Google Scholar 

  45. B. Isralewitz, S. Izrailev, K. Schulten, Biophys. J. 73, 2972 (1997)

    Article  Google Scholar 

  46. G.I. Bell, Science 200, 618 (1978)

    Article  Google Scholar 

  47. M. Wanunu, J. Sutin, B.M. B, A. Chow, A. Meller, Biophys. J. 95, 4716 (2008)

    Google Scholar 

  48. J. Nakane, M. Wiggin, A. Marziali, Biophys. J. 87, 615 (2004)

    Article  Google Scholar 

  49. M. Wiggin, C. Tropini, V. Tabard-Cossa, N. Jetha, A. Marziali, Biophys. J. 95, 5317 (2008)

    Article  Google Scholar 

  50. J. Mathé, A. Aksimentiev, D.R. Nelson, K. Schulten, A. Meller, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 12377 (2005). DOI 10.1073/pnas.0502947102

    Article  Google Scholar 

  51. 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)

    Google Scholar 

  52. A. Guttmacher, F. Collins, New England J. Med. 347(19), 1512 (2002)

    Article  Google Scholar 

  53. M.L. Metzker, Genome Research 15, 1767 (2005)

    Article  Google Scholar 

  54. N. Ashkenasy, J. Sánchez-Quesada, H. Bayley, M.R. Ghadiri, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 44, 1401 (2005)

    Article  Google Scholar 

  55. 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)

    Article  Google Scholar 

  56. M. Rhee, M. Burns, Trends Biotech. 24(12), 580 (2006)

    Article  Google Scholar 

  57. J. Clarke, H. Wu, L. Jayasinghe, A. Patel, S. Reid, H. Bayley, Nature Nanotech. 4(4), 265 (2009)

    Article  Google Scholar 

  58. M. Rief, H. Clausen-Schaumann, H.E. Gaub, Nature Struct. Biol. 6, 346 (1999)

    Article  Google Scholar 

  59. A. Aksimentiev, K. Schulten, Biophys. J. 88, 3745 (2005). DOI 10. 1529/biophysj.104.058727

    Article  Google Scholar 

  60. D.B. Wells, V. Abramkina, A. Aksimentiev, J. Chem. Phys. 127, 125101 (2007). DOI 10.1063/1.2770738

    Article  Google Scholar 

  61. S. Ghosal, Phys. Rev. Lett. 98, 238104 (2007)

    Article  Google Scholar 

  62. B. Luan, A. Aksimentiev, Phys. Rev. E 78, 021912 (2008). DOI 10.1103/PhysRevE.78.021912

    Article  Google Scholar 

  63. S. van Dorp, U.F. Keyser, N.H. Dekker, C. Dekker, S.G. Lemay, Nature Phys. 5, 347 (2009)

    Article  Google Scholar 

  64. A. Aksimentiev, J.B. Heng, G. Timp, K. Schulten, Biophys. J. 87, 2086 (2004). DOI 10.1529/biophysj.104.042960

    Article  Google Scholar 

  65. 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.105.070672

    Article  Google Scholar 

  66. M. Wu, D. Krapf, M. Zandbergen, H. Zandbergen, P. Batson, Applied Physics Letters 87, 113106 (2005)

    Article  Google Scholar 

Download references

Acknowledgements

We gratefully acknowledge contributions from Gregory Sigalov, Binquan Luan, and the group of Gregory Timp. This work is supported by grants from the National Institutes of Health (R01-HG003713 and PHS 5 P41-RR05969) and the National Science Foundation (PHY0822613). The authors gladly acknowledge supercomputer time provided through TeraGrid resources by a Large Resources Allocation grant (MCA05S028).

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Aleksei Aksimentiev .

Editor information

Editors and Affiliations

Rights and permissions

Reprints and permissions

Copyright information

© 2011 Springer Science+Business Media, LLC

About this chapter

Cite this chapter

Comer, J., Aksimentiev, A. (2011). Nanopore Force Spectroscopy: Insights from Molecular Dynamics Simulations. In: Iqbal, S., Bashir, R. (eds) Nanopores. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-8252-0_14

Download citation

  • DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4419-8252-0_14

  • Published:

  • Publisher Name: Springer, Boston, MA

  • Print ISBN: 978-1-4419-8251-3

  • Online ISBN: 978-1-4419-8252-0

  • eBook Packages: EngineeringEngineering (R0)

Publish with us

Policies and ethics