生物分子的拴系態(tài)是單分子物理、單分子測序等研究重點關(guān)注的對象。拴系態(tài)分子作為一種中間態(tài)，一端具有游離態(tài)自由擴散的部分屬性，另一端則受到分子錨點的嚴(yán)格限制，近似于固定態(tài)。然而，其分子擴散、介電泳以及分子伸展過程中涉及的電動力學(xué)至今尚不清楚。研究拴系態(tài)對于揭示該類分子在溶液中的運動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選為當(dāng)期的封面期刊。在這項研究中，他們開發(fā)了一種基于納米毛細(xì)管的單分子操控、識別及長度測量（Single-molecule Manipulation, Identification, and Length Examination，SMILE）系統(tǒng)。研究團隊利用該系統(tǒng)成功對拴系態(tài)雙鏈DNA分子進(jìn)行捕獲與拉伸操控。研究結(jié)果展示了一個圍繞拴系DNA錨點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不同長度DNA的特征捕獲半徑的比例是一致的，這個比例與它們的回旋半徑比例十分接近。而對于拉伸半徑，其比例與輪廓長度（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，研究團隊通過數(shù)值模擬計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)的捕獲勢壘和電場主導(dǎo)的逃逸勢壘的影響。這項研究引入了一種新的單分子操控與分析方法，有望實現(xiàn)對拴系態(tài)分子構(gòu)象、電學(xué)和擴散特性的全面探索。

SMILE單分子操控系統(tǒng)

這項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度分布模式。多項研究結(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驗和理論基礎(chǔ)。此外，該研究為生物物理學(xué)、基因測序以及包括RNA、蛋白質(zhì)等帶電分子的分子診斷等領(lǐng)域引入了創(chuàng)新的測量方法和研究視角。

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)青年基金項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