RNA polymerase (RNAP) moves along DNA while carrying out transcription, acting as a molecular motor. Transcriptional velocities for single molecules of Escherichia coli RNAP were measured as progressively larger forces were applied by a feedback-controlled optical trap. The shapes of RNAP force-velocity curves are distinct from those of the motor enzymes myosin or kinesin, and indicate that biochemical steps limiting transcription rates at low loads do not generate movement. Modeling the data suggests that high loads may halt RNAP by promoting a structural change which moves all or part of the enzyme backwards through a comparatively large distance, corresponding to 5 to 10 base pairs. This contrasts with previous models that assumed force acts directly upon a single-base translocation step.

The force produced by a single molecule of Escherichia coli RNA polymerase during transcription was measured optically. Polymerase immobilized on a surface was used to transcribe a DNA template attached to a polystyrene bead 0.5 micrometer in diameter. The bead position was measured by interferometry while a force opposing translocation of the polymerase along the DNA was applied with an optical trap. At saturating nucleoside triphosphate concentrations, polymerase molecules stalled reversibly at a mean applied force estimated to be 14 piconewtons. This force is substantially larger than those measured for the cytoskeletal motors kinesin and myosin and exceeds mechanical loads that are estimated to oppose transcriptional elongation in vivo. The data are consistent with efficient conversion of the free energy liberated by RNA synthesis into mechanical work.

The dynamic structure of individual nucleosomes was examined by stretching nucleosomal arrays with a feedback-enhanced optical trap. Forced disassembly of each nucleosome occurred in three stages. Analysis of the data using a simple worm-like chain model yields 76 bp of DNA released from the histone core at low stretching force. Subsequently, 80 bp are released at higher forces in two stages: full extension of DNA with histones bound, followed by detachment of histones. When arrays were relaxed before the dissociated state was reached, nucleosomes were able to reassemble and to repeat the disassembly process. The kinetic parameters for nucleosome disassembly also have been determined.

DNA packaging into nucleosomes presents a barrier to many motor proteins, including the transcriptional machinery. By unzipping DNA in single nucleosomes, a detailed map at near base pair resolution of histone-DNA interactions is now provided, suggesting that interaction with the two DNA strands is decoupled and that unraveling past the dyad axis of the nucleosome, as might occur when a motor protein passes through, is sufficient to displace histones. The nature of the nucleosomal barrier that regulates access to the underlying DNA during many cellular processes is not fully understood. Here we present a detailed map of histone-DNA interactions along the DNA sequence to near base pair accuracy by mechanically unzipping single molecules of DNA, each containing a single nucleosome. This interaction map revealed a distinct ∼5-bp periodicity that was enveloped by three broad regions of strong interactions, with the strongest occurring at the dyad and the other two about ±40-bp from the dyad. Unzipping up to the dyad allowed recovery of a canonical nucleosome upon relaxation of the DNA, but unzipping beyond the dyad resulted in removal of the histone octamer from its initial DNA sequence. These findings have important implications for how RNA polymerase and other DNA-based enzymes may gain access to DNA associated with a nucleosome.

We describe an apparatus that can measure the instantaneous angular displacement and torque applied to a quartz particle which is angularly trapped. Torque is measured by detecting the change in angular momentum of the transmitted trap beam. The rotational Brownian motion of the trapped particle and its power spectral density are used to determine the angular trap stiffness. The apparatus features a feedback control that clamps torque or other rotational quantities. The torque sensitivity demonstrated is ideal for the study of known biological molecular motors.

Optical tweezers have become the method of choice in single-molecule manipulation studies. In this Primer, we first review the physical principles of optical tweezers and the characteristics that make them a powerful tool to investigate single molecules. We then introduce the modifications of the method to extend the measurement of forces and displacements to torques and angles, and to develop optical tweezers with single-molecule fluorescence detection capabilities. We discuss force and torque calibration of these instruments, their various modes of operation and most common experimental geometries. We describe the type of data obtained in each experimental design and their analyses. This description is followed by a survey of applications of these methods to the studies of protein–nucleic acid interactions, protein/RNA folding and molecular motors. We also discuss data reproducibility, the factors that lead to the data variability among different laboratories and the need to develop field standards. We cover the current limitations of the methods and possible ways to optimize instrument operation, data extraction and analysis, before suggesting likely areas of future growth. This Primer on optical tweezers describes the instrumentation and experimental designs used in most single-molecule optical tweezers assays and discusses optical tweezers measurements in systems of biophysical interest such as DNA elasticity, protein and RNA folding, and molecular motors.

In cells, RNA polymerase (RNAP) must transcribe supercoiled DNA, whose torsional state is constantly changing, but how RNAP deals with DNA supercoiling remains elusive. We report direct measurements of individual Escherichia coli RNAPs as they transcribed supercoiled DNA. We found that a resisting torque slowed RNAP and increased its pause frequency and duration. RNAP was able to generate 11 ± 4 piconewton-nanometers (mean ± standard deviation) of torque before stalling, an amount sufficient to melt DNA of arbitrary sequence and establish RNAP as a more potent torsional motor than previously known. A stalled RNAP was able to resume transcription upon torque relaxation, and transcribing RNAP was resilient to transient torque fluctuations. These results provide a quantitative framework for understanding how dynamic modification of DNA supercoiling regulates transcription.

The angular optical trap (AOT) is a powerful instrument for measuring the torsional and rotational properties of a biological molecule. Thus far, AOT studies of DNA torsional mechanics have been carried out using a high numerical aperture oil-immersion objective, which permits strong trapping, but inevitably introduces spherical aberrations due to the glass-aqueous interface. However, the impact of these aberrations on torque measurements is not fully understood experimentally, partly due to a lack of theoretical guidance. Here, we present a numerical platform based on the finite element method to calculate forces and torques on a trapped quartz cylinder. We have also developed a new experimental method to accurately determine the shift in the trapping position due to the spherical aberrations by using a DNA molecule as a distance ruler. We found that the calculated and measured focal shift ratios are in good agreement. We further determined how the angular trap stiffness depends on the trap height and the cylinder displacement from the trap center and found full agreement between predictions and measurements. As further verification of the methodology, we showed that DNA torsional properties, which are intrinsic to DNA, could be determined robustly under different trap heights and cylinder displacements. Thus, this work has laid both a theoretical and experimental framework that can be readily extended to investigate the trapping forces and torques exerted on particles with arbitrary shapes and optical properties.

To ensure accurate DNA replication, a replisome must effectively overcome numerous obstacles on its DNA substrate. After encountering an obstacle, a progressing replisome often aborts DNA synthesis but continues to unwind the DNA, resulting in a gap in the newly replicated DNA. However, little is known about how DNA synthesis is resumed downstream of an obstacle. Here, we examine the consequences of a non-replicating replisome collision with a co-directional RNA polymerase (RNAP). Using single-molecule and ensemble methods, we find that T7 helicase interacts strongly with a non-replicating T7 DNA polymerase (DNAP) at a replication fork. As the helicase advances the fork, the DNAP also moves forward processively, via its association with the helicase. The presence of the DNAP, in turn, increases both helicase's processivity and unwinding rate. We show that such a DNAP, together with its helicase, is indeed able to actively disrupt a stalled transcription elongation complex, and then initiates replication using the RNA transcript as a primer. These observations exhibit T7 helicase's novel role in replication re-initiation, independent of replication restart proteins or primase.

Optical traps enable nanoscale manipulation of individual biomolecules while measuring molecular forces and lengths. This ability relies on the sensitive detection of optically trapped particles, typically accomplished using laser-based interferometric methods. Recently, precise and fast image-based particle tracking techniques have garnered increased interest as a potential alternative to laser-based detection, however successful integration of image-based methods into optical trapping instruments for biophysical applications and force measurements has remained elusive. Here we develop a camera-based detection platform that enables exceptionally accurate and precise measurements of biological forces and interactions in a dual optical trap. In demonstration, we stretch and unzip DNA molecules while measuring the relative distances of trapped particles from their trapping centers with sub-nanometer accuracy and precision, a performance level previously only achieved using photodiodes. We then use the DNA unzipping technique to localize bound proteins with extraordinary sub-base-pair precision, revealing how thermal DNA fluctuations allow an unzipping fork to sense and respond to a bound protein prior to a direct encounter. This work significantly advances the capabilities of image tracking in optical traps, providing a state-of-the-art detection method that is accessible, highly flexible, and broadly compatible with diverse experimental substrates and other nanometric techniques.