先进的显微镜显示不寻常的DNA结构

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先进的成像技术揭示了S-DNA新的结构细节,即分子在受到巨大张力时形成的梯形DNA。在桑迪亚国家实验室和荷兰弗里斯大学开展的工作提供了最先进的成像技术,揭示了S-DNA的新结构细节,即分子受到巨大张力时形成的梯形DNA。这项由桑迪亚国家实验室和荷兰弗里斯大学开展的工作提供了第一个实验证据,证明S-DNA包含高度倾斜的碱基对。

DNA碱基对的可预测配对和堆叠有助于定义分子的双螺旋形状。了解DNA被拉伸时碱基对如何重新排列,可能有助于深入了解一系列生物过程,并改善用DNA构建的纳米器件的设计和性能。根据《科学进展》上的最新文章,之前已经使用计算机模拟来预测拉伸的S-DNA中的倾斜碱基对,但直到现在,这还没有在实验中得到最终证实。

DNA通常被认为是遗传信息的分子载体。然而,在世界各地的研究实验室中,它还有另一种用途:纳米设备的建筑材料。为此,科学家们准备了计算机生成的单链DNA序列,以便某些部分可以与其他部分形成碱基对。这根线被迫像折纸一样弯曲和折叠。研究人员利用这一原理将DNA折叠成微观笑脸、带有可移动铰链和活塞的纳米机器,以及能够自发适应周围化学环境变化的“智能”材料。

桑迪亚大学的光学科学家、该研究的主要作者亚当巴克(Adam Barker)表示,“在建造飞机或桥梁时,了解进入其中的每种材料的结构、强度和拉伸性非常重要。”"用DNA设计纳米结构也是如此."

尽管人们对DNA双螺旋的力学性质了解很多,但当分子在实验室中拉伸形成梯形结构时,S-DNA的形状细节仍然是个谜。可视化DNA结构的标准方法无法跟踪解链过程中分子的结构变化。

参见拉伸的DNA

为了表征S-DNA的结构和伸展性,Backer与Vrije大学LaserLaB Amsterdam生命系统物理研究组的同事合作。研究人员在期刊文章中描述了他们的过程。利用他的同事开发的仪器,贝克首先将一个微珠连接到一个短病毒DNA的两端。这些珠子充当操纵单个DNA分子的手柄。

接下来,研究人员使用两个紧密聚焦的激光束在一个充满液体的窄室中捕获珠状DNA。由于珠子保留在激光束中,研究人员可以通过重定向激光束来移动细胞中的珠子。这使得它们能够拉伸附着的DNA,形成S-DNA。这种操纵微观粒子的技术被称为光镊,它还可以精确控制施加于单个DNA分子的张力。

然而,拉伸的DNA分子的结构变化太小,不能用标准的光学显微镜直接观察到。为了应对这一挑战,Backer帮助他的同事将一种叫做荧光偏振显微镜的成像方法与光镊结合起来。首先,他们向含有光学捕获的DNA的溶液中加入小的棒状荧光染料分子。在未拉伸的DNA中,染料分子将自己夹在相邻的碱基对之间,并垂直于双螺旋的中心轴排列。如果拉伸力导致DNA碱基对倾斜,染料也会倾斜。

接下来,研究人员使用染料的荧光信号来确定拉伸的DNA中的碱基对是否倾斜。当染料与激光束发出的光波相互作用时,会发出绿色荧光,激光束指向与染料分子相同的轴。研究人员通过将激光束的偏振旋转各种角度来改变光波的方向。然后,他们拉伸DNA,在显微镜下观察到绿色荧光信号出现。通过这些测量和桑迪亚开发的计算分析方法,研究人员确定染料和相应的碱基对相对于DNA的中轴呈54度角排列。

巴克说:“这个实验提供了迄今为止最直接的证据,支持了S-DNA包含倾斜碱基对的假设。”“为了获得对DNA的这种新的基本理解,我们必须结合各种尖端技术,聚集不同技术领域的科学家来实现共同的目标。”

科学家们普遍推测,类似于S-DNA的结构可能是在人体细胞的日常活动中形成的,但目前,S-DNA的生物学用途仍不得而知。S-DNA可能有助于修复受损或断裂的DNA,并有助于防止细胞死亡和癌症。贝克希望,对控制DNA变形的物理原理的这种更清晰的理解将指导对S-DNA在细胞中作用的进一步研究。

贝克于2016年11月加入桑迪亚。当他成为杜鲁门研究员时,他有机会开始自己的独立研究计划。他在斯坦福大学研究生期间开发了一种偏振显微镜方法,并认为这项技术有潜力。“在桑迪亚,我想尽可能地推广这项技术,”贝克说。这项工作在生物学和纳米技术等领域带来了潜在的相关成果,这一事实是引人注目的。"

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