The conformational dynamics of individual, flexible polymers in steady shear flow were directly observed by the use of video fluorescence microscopy. The probability distribution for the molecular extension was determined as a function of shear rate, γ˙, for two different polymer relaxation times, τ. In contrast to the behavior in pure elongational flow, the average polymer extension in shear flow does not display a sharp coil-stretch transition. Large, aperiodic temporal fluctuations were observed, consistent with end-over-end tumbling of the molecule. The rate of these fluctuations (relative to the relaxation rate) increased as the Weissenberg number,γ˙τ, was increased.

Single molecules of DNA, visualized in video fluorescence microscopy, were stretched to full extension in a flow, and their relaxation was measured when the flow stopped. The molecules, attached by one end to a 1-micrometer bead, were manipulated in an aqueous solution with optical tweezers. Inverse Laplace transformations of the relaxation data yielded spectra of decaying exponentials with distinct peaks, and the longest time component (tau) increased with length (L) as tau approximately L 1.68 +/- 0.10. A rescaling analysis showed that most of the relaxation curves had a universal shape and their characteristic times (lambda t) increased as lambda t approximately L 1.65 +/- 0.13. These results are in qualitative agreement with the theoretical prediction of dynamical scaling.

Tube-like motion of a single, fluorescently labeled molecule of DNA in an entangled solution of unlabeled lambda-phage DNA molecules was observed by fluorescence microscopy. One end of a 16- to 100-micrometer-long DNA was attached to a 1-micrometer bead and moved with optical tweezers. The molecule was stretched into various conformations having bends, kinks, and loops. As the polymer relaxed, it closely followed a path defined by its initial contour. The relaxation time of the disturbance caused by the bead was roughly 1 second, whereas tube-like motion in small loops persisted for longer than 2 minutes. Tube deformation, constraint release, and excess chain segment diffusion were also observed. These observations provide direct evidence for several key assumptions in the reptation model developed by de Gennes, Edwards, and Doi.

Individual polymers at thermal equilibrium were exposed to an elongational flow producing a high strain rate, and their dynamics were recorded with video fluorescence microscopy. The flow was turned on suddenly so that the entire evolution of molecular conformation could be observed without initial perturbations. The rate of stretching of individual molecules is highly variable and depends on the molecular conformation that develops during stretching. This variability is due to a dependence of the dynamics on the initial, random equilibrium conformation of the polymer coil. The increasing appearance at high strain rates of slowly unraveling hairpin folds is an example of nonergodic dynamics, which can occur when a statistical mechanical system is subjected to nonadiabatic, or "sudden," external forces.

Abstract Many dsDNA viruses utilize ATP-powered “terminase” motors to package their genomes into procapsid shells. Here we use a single-molecule DNA grip/slip assay with rapid solution exchange to probe effects of nucleotide binding/dissociation in phage lambda motors containing both the large (TerL) and small (TerS) terminase subunits. Both subunits are required for packaging in vivo, but for some viruses (e.g., phages T4, HK97) packaging can be measured in vitro with only the catalytic TerL subunit. TerS facilitates initiation of packaging in vivo, but it has remained unclear if it plays any role during translocation. Surprisingly we measure frequent DNA gripping and high motor-DNA friction even in the absence of nucleotide. Such behavior was not observed in phage T4 motors containing only TerL, for which motor-DNA interactions were measured to be much weaker and significant gripping and friction was only observed with nucleotide present. For the lambda TerL/TerS holoenzyme, binding of nucleotide (ATP analogs or ADP) further increases gripping and friction, indicating there are both nucleotide independent and dependent interactions. Our findings suggest that TerS plays an important role in motor processivity, and that ATP-independent DNA gripping explains pausing observed during lambda packaging. We propose TerS acts as a “sliding clamp” to limit back slipping when TerL loses grip. Additionally, we show that the lambda packaging complex has a “DNA end clamp” mechanism that prevents the viral genome from completely exiting the capsid once packaging has initiated.

Many viruses eject their DNA via a nanochannel in the viral shell, driven by internal forces arising from the high-density genome packing. The speed of DNA exit is controlled by friction forces that limit the molecular mobility, but the nature of this friction is unknown. We introduce a method to probe the mobility of the tightly confined DNA by measuring DNA exit from phage phi29 capsids with optical tweezers. We measure extremely low initial exit velocity, a regime of exponentially increasing velocity, stochastic pausing that dominates the kinetics, and large dynamic heterogeneity. Measurements with variable applied force provide evidence that the initial velocity is controlled by DNA-DNA sliding friction, consistent with a Frenkel-Kontorova model for nanoscale friction. We confirm several aspects of the ejection dynamics predicted by theoretical models. Features of the pausing suggest it is connected to the phenomenon of "clogging" in soft-matter systems. Our results provide evidence that DNA-DNA friction and clogging control the DNA exit dynamics, but that this friction does not significantly affect DNA packaging.