Sub-micron elasticity of double-stranded DNA (dsDNA) governs central processes in cells such as interactions with DNA binding proteins, and therefore has been of interest for decades. Although magnetic tweezers (MT) has numerous advantages for studying DNA mechanics, the technique faced multiple challenges in probing short DNA fragments under 1 μm, hindering its application to nanoscale elastic measurements. Here, we introduce an MT-based scheme that enables precise force-extension measurements in the 100-nm regime. The method corrects for the underestimated extension resulting from magnetic bead anisotropy in a simplified, force-dependent manner. It also normalizes the variability in magnetic forces across multiple beads exploiting a DNA hairpin as a force standard. The method is simple and can easily be integrated into standard MT assays in real-time tracking. Applying this procedure, we measured the length- and sequence-dependent elasticity of short DNA down to 198 bp. The worm-like chain persistence length decreases considerably with contour length. The persistence length also steeply depends on GC content, suggesting a potential sequence-dependent mechanism for short-DNA elasticity.
이중가닥 DNA의 탄성은 DNA결합 단백질과 DNA의 상호작용 등 세포 내의 중요한 과정들을 조절하기에, 많은 관심의 대상이 되어 왔다. 자기집게는 DNA의 특성을 연구하는데 많은 장점들이 있음에도, 1μm 이하의 짧은 DNA조각들을 분석하는 데에는 많은 어려움이 있었기에, 나노수준의 탄성 측정에는 응용이 잘 되지 않았다. 여기서 우리는 100nm 이하의 물질로도 정밀하게 힘-길이변화 측정을 가능케 하는 자기집게 기반의 방법론을 소개한다. 이 방법은 자성 입자의 비등방성으로 인해 작게 측정된 길이변화를 힘에 따른 방식으로 보정한다. 또한, DNA 헤어핀을 힘의 기준으로 활용하여 자성입자마다 다르게 걸리는 자기력을 표준화한다. 이 방법은 매우 간단하며, 자기 집게를 이용한 실시간 실험에 쉽게 통합될 수 있다. 이 방법을 활용하여 우리는 길이와 염기서열에 따른 짧은 DNA (198bp 까지)의 탄성 변화를 측정하였다. Worm-like chain 모델을 적용했을 때, DNA가 최대로 펼쳐진 길이가 짧아질수록 지속길이 또한 크게 줄어듦을 관찰하였다. 지속길이는 GC 비율에도 크게 영향을 받았는데, 이로부터 짧은 DNA 탄성에 염기서열에 따른 작동원리가 있을 수 있음을 확인하였다.
