ポイントは設問の

データはオンプレミスからファイルベースのアプリケーションを使用して、低遅延でS3バケットへアクセスできる必要がある。

という要件にあります。

DataSyncの場合：
アプリケーションのアクセス先はオンプレミスのストレージであり、DataSyncはオンプレミスのストレージとS3バケットの間でデータを同期します。

オンプレミスアプリケーション
　　↓
オンプレストレージ
　　↓
（同期）
　　↓
S3バケット

DataSyncはデータ移行・同期サービスであり、アプリケーションからS3バケットへアクセスするための仕組みは提供しません。

Storage Gatewayの場合：
アプリケーションはStorage Gatewayが提供するファイル共有（NFS/SMB）を経由して、S3バケットにアクセスします。

オンプレミスアプリケーション 
　　↓
（ファイルゲートウェイ）
　　↓
S3バケット

ファイルゲートウェイはローカルキャッシュを利用して低遅延アクセスを実現できるため、設問の要件と一致します。