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生物分子的拴系態(tài)是單分子物理、單分子測(cè)序等研究重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。拴系態(tài)分子作為一種中間態(tài)，一端具有游離態(tài)自由擴(kuò)散的部分屬性，另一端則受到分子錨點(diǎn)的嚴(yán)格限制，近似于固定態(tài)。然而，其分子擴(kuò)散、介電泳以及分子伸展過(guò)程中涉及的電動(dòng)力學(xué)至今尚不清楚。研究拴系態(tài)對(duì)于揭示該類分子在溶液中的運(yùn)動(dòng)模型及分子屬性具有重要的科學(xué)意義。

《ACS Nano》2014年10月刊封面

近日，中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院精準(zhǔn)醫(yī)療與單分子診斷中心與武漢大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)、芬蘭奧盧大學(xué)等單位合作在《ACS Nano》期刊發(fā)表了題為“Directly Characterizing the Capture Radius of Tethered Double-stranded DNA by Single-Molecule Nanopipette Manipulation”的論文，該論文被雜志編委評(píng)選為當(dāng)期的封面期刊。在這項(xiàng)研究中，他們開(kāi)發(fā)了一種基于納米毛細(xì)管的單分子操控、識(shí)別及長(zhǎng)度測(cè)量（Single-molecule Manipulation, Identification, and Length Examination，SMILE）系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)利用該系統(tǒng)成功對(duì)拴系態(tài)雙鏈DNA分子進(jìn)行捕獲與拉伸操控。研究結(jié)果展示了一個(gè)圍繞拴系DNA錨點(diǎn)存在的特征捕獲半徑（r_capture）和拉伸半徑（r_stretch）。值得注意的是，在不同的捕獲電壓下觀察到針對(duì)不同長(zhǎng)度DNA的特征捕獲半徑的比例是一致的，這個(gè)比例與它們的回旋半徑比例十分接近。而對(duì)于拉伸半徑，其比例與輪廓長(zhǎng)度（L₀）的比例保持一致，并且拉伸比例（r_stretch /L₀）隨著電壓的增加（100 mV – 1000 mV）從70%增加到90%。更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算確定了特征捕獲和拉伸半徑的起源，即它們分別受到由熵彈性主導(dǎo)的捕獲勢(shì)壘和電場(chǎng)主導(dǎo)的逃逸勢(shì)壘的影響。這項(xiàng)研究引入了一種新的單分子操控與分析方法，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)拴系態(tài)分子構(gòu)象、電學(xué)和擴(kuò)散特性的全面探索。

SMILE單分子操控系統(tǒng)

這項(xiàng)綜合研究首次揭示了拴系態(tài)分子被納米孔捕獲的特征長(zhǎng)度分布模式。多項(xiàng)研究結(jié)果表明，拴系態(tài)分子的回旋半徑近似于捕獲半徑的低電壓極限狀態(tài)，為揭示拴系分子的內(nèi)在物理特性提供了實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。此外，該研究為生物物理學(xué)、基因測(cè)序以及包括RNA、蛋白質(zhì)等帶電分子的分子診斷等領(lǐng)域引入了創(chuàng)新的測(cè)量方法和研究視角。

該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目以及重慶市自然科學(xué)基金的支持。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c05605