We analyzed time-series data for fluctuations of intramolecular segments of barcoded E. coli genomic DNA molecules confined in nanochannels with sizes near the persistence length of DNA. These dynamic data allowed us to measure the probability distribution governing the distance between labels on the DNA backbone, which is a key input into the alignment methods used for genome mapping in nanochannels. Importantly, this dynamic method does not require alignment of the barcode to the reference genome, thereby removing a source of potential systematic error in a previous study of this type. The results thus obtained support previous evidence for a left-skewed probability density for the distance between labels, albeit at a lower magnitude of skewness. We further show that the majority of large fluctuations between labels are short-lived events, which sheds further light upon the success of the linearized DNA genome mapping technique. This time-resolved data analysis will improve existing genome map alignment algorithms, and the overall idea of using dynamic data could potentially improve the accuracy of genome mapping, especially for complex heterogeneous samples such as cancer cells.

1.
M.
Levy-Sakin
and
Y.
Ebenstein
,
Curr. Opin. Biotechnol.
24
,
690
(
2013
).
2.
M.
Pendleton
,
R.
Sebra
,
A. W. C.
Pang
,
A.
Ummat
,
O.
Franzen
,
T.
Rausch
,
A. M.
Stütz
,
W.
Stedman
,
T.
Anantharaman
,
A.
Hastie
,
H.
Dai
,
M. H.-Y.
Fritz
,
H.
Cao
,
A.
Cohain
,
G.
Deikus
,
R. E.
Durrett
,
S. C.
Blanchard
,
R.
Altman
,
C.-S.
Chin
,
Y.
Guo
,
E. E.
Paximos
,
J. O.
Korbel
,
R. B.
Darnell
,
W. R.
McCombie
,
P.-Y.
Kwok
,
C. E.
Mason
,
E. E.
Schadt
, and
A.
Bashir
,
Nat. Methods
12
,
780
(
2015
).
3.
R. K.
Neely
,
P.
Dedecker
,
J.-I.
Hotta
,
G.
Urbanaviciute
,
S.
Klimasauskas
, and
J.
Hofkens
,
Chem. Sci.
1
,
453
(
2010
).
4.
B.
Teague
,
M. S.
Waterman
,
S.
Goldstein
,
K.
Potamousis
,
S.
Zhou
,
S.
Reslewic
,
D.
Sarkar
,
A.
Valouev
,
C.
Churas
,
J. M.
Kidd
,
S.
Kohn
,
R.
Runnheim
,
C.
Lamers
,
D.
Forrest
,
M. A.
Newton
,
E. E.
Eichler
,
M.
Kent-First
,
U.
Surti
,
M.
Livny
, and
D. C.
Schwartz
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
107
,
10848
(
2010
).
5.
R. H.
Meltzer
,
J. R.
Krogmeier
,
L. W.
Kwok
,
R.
Allen
,
B.
Crane
,
J. W.
Griffis
,
L.
Knaian
,
N.
Kojanian
,
G.
Malkin
,
M. K.
Nahas
,
V.
Papkov
,
S.
Shaikh
,
K.
Vyavahare
,
Q.
Zhong
,
Y.
Zhou
,
J. W.
Larson
, and
R.
Gilmanshin
,
Lab Chip
11
,
863
(
2011
).
6.
E. T.
Lam
,
A.
Hastie
,
C.
Lin
,
D.
Ehrlich
,
S. K.
Das
,
M. D.
Austin
,
P.
Deshpande
,
H.
Cao
,
N.
Nagarajan
,
M.
Xiao
, and
P.-Y.
Kwok
,
Nat. Biotechnol.
30
,
771
(
2012
).
7.
A. R.
Hastie
,
L.
Dong
,
A.
Smith
,
J.
Finklestein
,
E. T.
Lam
,
N.
Huo
,
H.
Cao
,
P.-Y.
Kwok
,
K. R.
Deal
,
J.
Dvorak
,
M.-C.
Luo
,
Y.
Gu
, and
M.
Xiao
,
PLoS One
8
,
e55864
(
2013
).
8.
H.
Cao
,
A. R.
Hastie
,
D.
Cao
,
E. T.
Lam
,
Y.
Sun
,
H.
Huang
,
X.
Liu
,
L.
Lin
,
W.
Andrews
,
S.
Chan
,
S.
Huan
,
X.
Tong
,
M.
Requa
,
T.
Anantharaman
,
A.
Krogh
,
H.
Yang
,
H.
Cao
, and
X.
Xu
,
GigaScience
3
,
34
(
2014
).
9.
O.
Majesta
,
V. B.
Searles
,
C. M.
Dickens
,
D.
Astling
,
D.
Albracht
,
A. C.
Mak
,
Y. Y.
Lai
,
C.
Lin
,
C.
Chu
,
T.
Graves
,
P.-Y.
Kwok
,
R. K.
Wilson
, and
J. M.
Sikela
,
BMC Genomics
15
,
387
(
2014
).
10.
A.
Valouev
,
D. C.
Schwartz
,
S.
Zhou
, and
M. S.
Waterman
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
103
,
15770
(
2006
).
11.
W. F.
Reinhart
,
J. G.
Reifenberger
,
D.
Gupta
,
A.
Muralidhar
,
J.
Sheats
,
H.
Cao
, and
K. D.
Dorfman
,
J. Chem. Phys.
142
,
064902
(
2015
).
12.
W.
Reisner
,
K. J.
Morton
,
R.
Riehn
,
Y. M.
Wang
,
Z.
Yu
,
M.
Rosen
,
J. C.
Sturm
,
S. Y.
Chou
,
E.
Frey
, and
R. H.
Austin
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
196101
(
2005
).
13.
14.
A.
Muralidhar
,
D. R.
Tree
, and
K. D.
Dorfman
,
Macromolecules
47
,
8446
(
2014
).
15.
D.
Gupta
,
J.
Sheats
,
A.
Muralidhar
,
J. J.
Miller
,
D. E.
Huang
,
S.
Mahshid
,
K. D.
Dorfman
, and
W.
Reisner
,
J. Chem. Phys.
140
,
214901
(
2014
).
16.
L.
Dai
,
C. B.
Renner
, and
P. S.
Doyle
,
Macromolecules
48
,
2812
(
2015
).
17.
A.
Valouev
,
Shotgun Optical Mapping: A Comprehensive Statistical and Computational Analysis
(
University of Southern California
,
2006
).
18.
J. G.
Reifenberger
,
K. D.
Dorfman
, and
H.
Cao
,
Analyst
140
,
4887
(
2015
).
19.
R.
Riehn
,
M.
Lu
,
Y.-M.
Wang
,
S. F.
Lim
,
E. C.
Cox
, and
R. H.
Austin
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
,
10012
(
2005
).
20.
D. R.
Tree
,
Y.
Wang
, and
K. D.
Dorfman
,
Biomicrofluidics
7
,
054118
(
2013
).
21.
A.
Muralidhar
and
K. D.
Dorfman
,
Macromolecules
48
,
2829
(
2015
).
22.
Y.-L.
Chen
,
Y.-H.
Lin
,
J.-F.
Chang
, and
P.-K.
Lin
,
Macromolecules
47
,
1199
(
2014
).
23.
J. H.
Carpenter
,
A.
Karpusenko
,
J.
Pan
,
S. F.
Lim
, and
R.
Riehn
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
253704
(
2011
).
24.
A.
Karpusenko
,
J. H.
Carpenter
,
C.
Zhou
,
S. F.
Lim
,
J.
Pan
, and
R.
Riehn
,
J. Appl. Phys.
111
,
024701
(
2012
).
25.
T.
Su
,
S. K.
Das
,
M.
Xiao
, and
P. K.
Purohit
,
PLoS One
6
,
e16890
(
2011
).
26.
I.
Rasnik
,
S. A.
McKinney
, and
T.
Ha
,
Nat. Methods
3
,
891
(
2006
).
27.
R.
Dave
,
D. S.
Terry
,
J. B.
Munro
, and
S. C.
Blanchard
,
Biophys. J.
96
,
2371
(
2009
).
28.
C. E.
Aitken
,
R. A.
Marshall
, and
J. D.
Puglisi
,
Biophys. J.
94
,
1826
(
2008
).
29.
A.
Edelstein
,
N.
Amodaj
,
K.
Hoover
,
R.
Vale
, and
N.
Stuurman
,
Computer Control of Microscopes Using μManager
(
John Wiley & Sons, Inc.
,
Hoboken, NJ, USA
,
2010
).
30.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4938732 for a detailed description of the filters, as well as additional data for the 40 nm nanochannels and all the data for the 51 nm nanochannels.
31.
C. J.
Ye
,
J. B.
Stevens
,
G.
Liu
,
S. W.
Bremer
,
A. S.
Jaiswal
,
K. J.
Ye
,
M.-F.
Lin
,
L.
Lawrenson
,
W. D.
Lancaster
,
M.
Kurkinen
,
J. D.
Liao
,
C. G.
Gairola
,
M. P.
Shekhar
,
S.
Naryan
,
F. R.
Miller
, and
H. H.
Heng
,
J. Cell Physiol.
219
,
288
(
2009
).
32.
C. D.
Morrison
,
P.
Liu
,
A.
Woloszynska-Read
,
J.
Zhang
,
W.
Luo
,
M.
Qin
,
W.
Bshara
,
J. M.
Conroy
,
L.
Sabatini
,
P.
Vedell
,
D.
Xiong
,
S.
Liu
,
J.
Wang
,
H.
Shen
,
Y.
Li
,
A. R.
Omilian
,
A.
Hill
,
K.
Head
,
K.
Guru
,
D.
Kunnev
,
R.
Leach
,
K. H.
Eng
,
C.
Darial
,
C.
Hoeflich
,
S.
Veeranki
,
S.
Glenn
,
M.
You
,
S. C.
Pruitt
,
C. S.
Johnson
, and
D. L.
Trump
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
111
,
E672
(
2014
).
33.
A.
Friedrich
,
P.
Jung
,
C.
Reisser
,
G.
Fischer
, and
J.
Schacherer
,
Mol. Biol. Evol.
32
,
184
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.