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解开 DNA 之结:美国麻省理工学院的化工学家们找到了解开 DNA 分子扭结的小窍门

北极蚊子 2018-5-7 18:59

生活常识告诉我们,一切足够长且细的东西往往都有自我打结的“冲动”。DNA 作为自然界经典的多聚长链分子显然也不例外。如今,借助特别的 DNA 分子伸展技术以及对 DNA 扭结进行成像观察,麻省理工学院(MIT)的研究者们首次发现了一种生物机制,能决定 DNA 扭结在核酸链上的移动或静止状态。

主要研究者、MIT 化工专业教授 Patrick Doyle 表示:“高分子物理学家们曾推测这些扭结可以固定住,却并没有足够好的模型系统来验证这一点。而这一次,我们证明了同一个 DNA 分子上的扭结可以从静止转变为移动状态。一旦你改变环境,扭结就停下来;同理也可以让静止的扭结重新动起来。”

这一发现提供了解开 DNA 扭结的希望,不仅可以帮助研究者们提高某些基因测序技术的精确性,还能促进 DNA 扭结的形成,减慢 DNA 分子通过测序系统时的速度,从而提升测序技术的能力。

移动中的“绳结”

多年来 Doyle 与其学生一直致力于高分子扭结的物理学研究。而拥有较大分子量的 DNA 在显微镜下相对容易观察,再加上其本来就很容易“打结”的特性,自然成了完美的研究对象之一。

“我们有一种办法让 DNA 缩成一个‘小球’,之后将其拉伸开,便会形成许多大结,”Klotz 说道,“就像把耳机线塞进口袋里再扯出来,上面保证打满了结。”

“绳结”形成后,研究者们利用自行设计的特殊微流体系统对其展开研究。T 形的液体通在分叉两端加上了不同方向的电场,因此处于交叉口的的 DNA 被均匀的力量拉向“T”形两臂,使其停留在原地。

图丨在 DNA 分子长链末端的扭结被拉向尽头并解开

MIT 团队发现,改变电场强度可以操作被电场“钉住”的 DNA 分子上的扭结:当电场较弱时,扭结会沿着核酸链向末段移动,最后被拉开。

“当拉力并不强时,这些扭结看似在随机运动;但如果你观察得足够久,就会发现它们是在向分子近端处移动。”Klotz 说道。

而当电场更强时,DNA 被迫完全伸展开来,这些扭结便僵在原地。这一现象好比生活中打结的串珠项链,而当项链放松时,上面的结可以随意移动;而当它被紧紧拉住时,结上的串珠挤在一起,链结只能动弹不得。

Klotz 向人们解释:“当你拉紧 DNA 分子时,核苷酸链间的距离缩小,因此增大了摩擦力,其作用盖过了电场对 DNA 长链的拉力。”

德克萨斯大学奥斯汀分校的化学系教授 Dmitrii Makarov 表示:“这是一项优雅的实验论证,证明了 DNA 扭结就像日常中宏观的绳结一样能在张力下被固定。此实验也为分子水平的摩擦力提供了重要启发,因为我们至今仍对该现象缺乏足够了解。”

“解结还需系结人”

DNA 扭结同样存在于活细胞中,而细胞也自带特异性的拓扑酶专治这种打结。该 MIT 团队由此提出了一种消除胞外 DNA 扭结的简易方法,对 DNA 分子施加电场,直至扭结自行移至长链端头被解开。

一种名为纳米通道图谱(nanochannel mapping)的 DNA 测序也许能从中受益。该测序技术需要将 DNA 沿着狭窄的管道伸展以测量两段序列间的距离,可以显示大规模的基因组改变,如基因拷贝重复、染色体间基因移位等等,然而 DNA 扭结影响了数据的准确性。

另一种 DNA 测序方法——纳米孔测序(nanopore sequencing)则更偏爱 DNA 上的“绳结”,因为这可以减慢 DNA 通过测序仪时的速度,反而提高了测序信息的准确性。

当然,这一方法也能应用到其他类型高分子的“解结”中,比如塑料高分子,因为扭结会显著降低材料强度。

现在研究团队正在探究与扭结相关的其他现象,包括如何解开更加复杂的打结,以及同一分子中两个结之间的相互作用等。也许等到研究对象足够复杂时,我们就有希望去对付那些让人崩溃的耳机线了。

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