Endonukleazy restrykcyjne (REazy) to enzymy wywołujące swoiste dla sekwencji pęknięcia obu nici DNA. Odkrycie REaz w latach 70. XX wieku doprowadziło do rozwoju technologii rekombinowanego DNA, a enzymy te są obecnie niezastąpionymi narzędziami laboratoryjnymi służącymi do modyfikacji i manipulacji genetycznych1. Endonukleazy restrykcyjne typu II są najszerzej stosowanymi enzymami z tej klasy, ponieważ przecinają one DNA w stałym miejscu, w obrębie lub w pobliżu ich sekwencji rozpoznawania. Istnieje jednak znaczna zmienność wśród REaz typu II i są one podzielone na kilka podtypów w oparciu o konkretne właściwości enzymatyczne, a nie klasyfikowane według pokrewieństwa ewolucyjnego. W obrębie każdego podtypu często występują wyjątki od schematu klasyfikacji, a wiele enzymów należy do kilku podtypów jednocześnie2. Zidentyfikowano tysiące REaz typu II, z czego setki są dostępne komercyjnie.
Pomimo jednak różnorodności wśród REaz typu II, bardzo niewielu REaz przebadano szczegółowo. Według REBASE, bazy danych enzymów restrykcyjnych założonej przez Sir Richarda Robertsa w 1975 roku3, opublikowane dane kinetyczne są dostępne dla mniej niż 20 z tych enzymów. Co więcej, choć niektóre REazy były bezpośrednio obserwowane na poziomie pojedynczych cząsteczek podczas dyfuzji wzdłuż DNA przed napotkaniem i związaniem sekwencji rozpoznawczej4,5,6,7, istnieje bardzo mało badań kinetyki ich reakcji cięcia na poziomie pojedynczych cząsteczek. Istniejące badania albo nie raportują wystarczających statystyk, aby przeprowadzić szczegółową analizę zmienności czasów, w których następują pojedyncze zdarzenia cięcia8,9,10, albo nie są w stanie uchwycić pełnego rozkładu czasów cięcia11. Tego typu analiza może ujawnić obecność stosunkowo długo żyjących produktów pośrednich kinetycznie i mogłaby prowadzić do lepszego zrozumienia mechanizmów cięcia DNA katalizowanego przez REazy.
Na poziomie pojedynczych cząsteczek procesy biochemiczne mają charakter stochastyczny – czas oczekiwania na wystąpienie pojedynczego zdarzenia w procesie, τ, jest zmienny. Można się jednak spodziewać, że wiele pomiarów τ będzie zgodnych z rozkładem prawdopodobieństwa, p(τ), który wskazuje na rodzaj zachodzącego procesu. Na przykład proces jednowykroczny, taki jak uwalnianie cząsteczki produktu z enzymu, będzie zgodny ze statystyką Poissona, a p(τ) będzie przyjmować formę ujemnego rozkładu wykładniczego:

gdzie β jest średnim czasem oczekiwania. Należy zauważyć, że szybkość procesu, k, będzie równa 1/β, czyli odwrotności średniego czasu oczekiwania. W przypadku procesów wymagających więcej niż jednego kroku, p(τ) będzie splotem rozkładów pojedynczych wykładniczych dla każdego z poszczególnych kroków. Ogólnym rozwiązaniem splotu N funkcji pojedynczego rozpadu wykładniczego o identycznych średnich czasach oczekiwania, β, jest rozkład prawdopodobieństwa gamma:

gdzie Γ(N) jest funkcją gamma, która opisuje interpolację silni N-1 dla wartości N niebędących liczbami całkowitymi. Chociaż to ogólne rozwiązanie może być stosowane jako przybliżenie, gdy średnie czasy oczekiwania poszczególnych etapów są podobne, należy przyjąć, że obecność etapów stosunkowo szybkich zostanie zamaskowana przez etapy o znacznie dłuższych czasach oczekiwania. Innymi słowy, wartość N reprezentuje dolną granicę liczby etapów12. Przy odpowiedniej liczbie pomiarów czasu oczekiwania parametry β i N można oszacować poprzez binning zdarzeń i dopasowanie rozkładu gamma do otrzymanego histogramu lub stosując metodę największej wiarygodności. Tego rodzaju analiza może zatem ujawnić obecność etapów kinetycznych, których nie można łatwo rozdzielić w testach populacyjnych i która wymaga dużej liczby obserwacji w celu dokładnego oszacowania parametrów12,13.
Niniejsza praca opisuje metodę wykorzystującą DNA znakowane kropkami kwantowymi oraz mikroskopię fluorescencyjną z całkownym wewnętrznym odbiciem (TIRF) do równoległej obserwacji setek pojedynczych zdarzeń cięcia DNA katalizowanego przez nukleazy restrykcyjne (REaza). Projekt tego testu umożliwia agregowanie wyników z wielu eksperymentów, co pozwala na stworzenie rozkładów czasu przebywania obejmujących tysiące zdarzeń. Wysoka fotostabilność i jasność kropek kwantowych pozwalają na uzyskanie rozdzielczości czasowej 10 Hz bez utraty zdolności do obserwacji zdarzeń cięcia występujących nawet wiele minut po rozpoczęciu eksperymentu. Dobra rozdzielczość czasowa i szeroki zakres dynamiczny, w połączeniu z możliwością zgromadzenia dużego zestawu danych, pozwalają na dokładną charakterystykę rozkładów czasu przebywania w celu wykrycia obecności wielu etapów kinetycznych w szlakach cięcia REaz, których szybkość obrotu mieści się w zakresie 1 min-1. W przypadku EcoRV możliwe jest rozróżnienie trzech etapów kinetycznych, z których każdy został zidentyfikowany za pomocą innych metod, co potwierdza, że test jest czuły na obecność takich etapów.
Substraty dwuniciowego DNA zawierające interesującą sekwencję rozpoznawczą są wytwarzane poprzez hybrydyzację biotynilowanego oligonukleotydu z nicią komplementarną znakowaną pojedynczą, kowalencyjnie przyłączoną kropką kwantową z nanokryształu półprzewodnika. Substraty te wprowadza się do kanału przepływowego zbudowanego na szkiełku podstawowym z warstwą cząsteczek wysokocząsteczkowego glikolu polietylenowego (PEG) kowalencyjnie przyłączonych do jego powierzchni. Substraty DNA są wychwytywane poprzez powiązanie biotyna-streptawidyna-biotyna przez frakcję cząsteczek PEG posiadających biotynę na wolnym końcu. W mikroskopii TIRF oświetlenie zapewnia fala ewanescentna, której amplituda zanika wykładniczo wraz z odległością od interfejsu szkło-ciecz; głębokość penetracji jest rzędu długości fali użytego światła. W tych warunkach wzbudzone zostaną tylko kropki kwantowe przytwierdzone do powierzchni za pomocą cząsteczki DNA wychwyconej na funkcjonalizowanej powierzchni szkła. Kropki kwantowe swobodne w roztworze nie będą ograniczone do obszaru oświetlonego, a zatem nie będą luminescować. Jeśli DNA przytwierdzające kropkę kwantową do powierzchni zostanie przecięte, kropka kwantowa ta będzie mogła swobodnie dyfundować w kierunku oddalenia od powierzchni i zniknie z obrazu fluorescencyjnego.
Choć wiadomo, że wiele REaz typu II wiąże DNA w obecności magnezu14, wszystkie one wymagają magnezu do przeprowadzenia cięcia DNA15. REazy te mogą wiązać DNA unieruchomione na powierzchni w warunkach braku magnezu. Gdy przez kanał z REazą uprzednio związaną z DNA przepływa bufor zawierający magnez, cięcie rozpoczyna się natychmiast, co objawia się znikaniem kropek kwantowych. Synchronizacja osiągnięta poprzez uprzednie związanie cząsteczek REazy, a następnie zainicjowanie cięcia DNA poprzez wprowadzenie magnezu, ułatwia pomiar czasu opóźnienia do momentu zakończenia cięcia DNA niezależnie dla każdej cząsteczki w populacji enzymów obserwowanych w eksperymencie. Jako barwnik śledzący w buforze zawierającym magnez zastosowano fluoresceinę, aby wskazać moment dotarcia magnezu do pola widzenia. Ponieważ w buforze z magnezem nie znajduje się enzym, czas opóźnienia od momentu dotarcia bufora z magnezem do zniknięcia każdej kropki kwantowej wskazuje czas potrzebny REazie, która jest już związana z DNA, na przecięcie DNA i uwolnienie kropki kwantowej z powierzchni szkła. Zniknięcie kropki kwantowej następuje szybko i skutkuje gwałtownym spadkiem trajektorii intensywności, co daje jasną wskazówkę co do czasu, w którym dana cząsteczka DNA została przecięta. Wyznaczenie czasu zdarzeń odbywa się poprzez matematyczną analizę trajektorii intensywności, a typowy eksperyment dostarcza setek identyfikowalnych zdarzeń cięcia. Wyniki z wielu eksperymentów można połączyć, aby uzyskać odpowiednią statystykę pozwalającą na oszacowanie parametrów N i β za pomocą nieliniowej metody najmniejszych kwadratów lub analizy maksymalnej wiarygodności.