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解開 DNA 之結:美國麻省理工學院的化工學家們找到了解開 DNA 分子扭結的小竅門

      生活常識告訴我們,一切足夠長且細的東西往往都有自我打結的“沖動”。DNA 作為自然界經典的多聚長鏈分子顯然也不例外。如今,借助特別的 DNA 分子伸展技術以及對 DNA 扭結進行成像觀察,麻省理工學院(MIT)的研究者們首次發現了一種生物機制,能決定 DNA 扭結在核酸鏈上的移動或靜止狀態。

      主要研究者、MIT 化工專業教授 Patrick Doyle 表示:“高分子物理學家們曾推測這些扭結可以固定住,卻并沒有足夠好的模型系統來驗證這一點。而這一次,我們證明了同一個 DNA 分子上的扭結可以從靜止轉變為移動狀態。一旦你改變環境,扭結就停下來;同理也可以讓靜止的扭結重新動起來。”

      這一發現提供了解開 DNA 扭結的希望,不僅可以幫助研究者們提高某些基因測序技術的精確性,還能促進 DNA 扭結的形成,減慢 DNA 分子通過測序系統時的速度,從而提升測序技術的能力。

      多年來 Doyle 與其學生一直致力于高分子扭結的物理學研究。而擁有較大分子量的 DNA 在顯微鏡下相對容易觀察,再加上其本來就很容易“打結”的特性,自然成了完美的研究對象之一。

      “我們有一種辦法讓 DNA 縮成一個‘小球’,之后將其拉伸開,便會形成許多大結,”Klotz 說道,“就像把耳機線塞進口袋里再扯出來,上面保證打滿了結。”

      “繩結”形成后,研究者們利用自行設計的特殊微流體系統對其展開研究。T 形的液體通在分叉兩端加上了不同方向的電場,因此處于交叉口的的 DNA 被均勻的力量拉向“T”形兩臂,使其停留在原地。

      MIT 團隊發現,改變電場強度可以操作被電場“釘住”的 DNA 分子上的扭結:當電場較弱時,扭結會沿著核酸鏈向末段移動,最后被拉開。

      “當拉力并不強時,這些扭結看似在隨機運動;但如果你觀察得足夠久,就會發現它們是在向分子近端處移動。”Klotz 說道。

      而當電場更強時,DNA 被迫完全伸展開來,這些扭結便僵在原地。這一現象好比生活中打結的串珠項鏈,而當項鏈放松時,上面的結可以隨意移動;而當它被緊緊拉住時,結上的串珠擠在一起,鏈結只能動彈不得。

      Klotz 向人們解釋:“當你拉緊 DNA 分子時,核苷酸鏈間的距離縮小,因此增大了摩擦力,其作用蓋過了電場對 DNA 長鏈的拉力。”

      德克薩斯大學奧斯汀分校的化學系教授 Dmitrii Makarov 表示:“這是一項優雅的實驗論證,證明了 DNA 扭結就像日常中宏觀的繩結一樣能在張力下被固定。此實驗也為分子水平的摩擦力提供了重要啟發,因為我們至今仍對該現象缺乏足夠了解。”

      DNA 扭結同樣存在于活細胞中,而細胞也自帶特異性的拓撲酶專治這種打結。該 MIT 團隊由此提出了一種消除胞外 DNA 扭結的簡易方法,對 DNA 分子施加電場,直至扭結自行移至長鏈端頭被解開。

      一種名為納米通道圖譜(nanochannel mapping)的 DNA 測序也許能從中受益。該測序技術需要將 DNA 沿著狹窄的管道伸展以測量兩段序列間的距離,可以顯示大規模的基因組改變,如基因拷貝重復、染色體間基因移位等等,然而 DNA 扭結影響了數據的準確性。

      另一種 DNA 測序方法——納米孔測序(nanopore sequencing)則更偏愛 DNA 上的“繩結”,因為這可以減慢 DNA 通過測序儀時的速度,反而提高了測序信息的準確性。

      當然,這一方法也能應用到其他類型高分子的“解結”中,比如塑料高分子,因為扭結會顯著降低材料強度。

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