先進(jìn)的成像技術(shù)揭示了S-DNA的新結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，即分子承受極大張力時(shí)形成的梯狀DNA。在荷蘭桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和弗里耶大學(xué)進(jìn)行的這項(xiàng)工作提供了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，表明S-DNA包含高度傾斜的堿基對(duì)。

DNA堿基對(duì)的可預(yù)測(cè)的配對(duì)和堆積有助于定義分子的雙螺旋形狀。了解當(dāng)DNA拉伸時(shí)堿基對(duì)如何重新排列可能會(huì)提供對(duì)一系列生物過(guò)程的洞察力，并改善用DNA構(gòu)建的納米器件的設(shè)計(jì)和性能。根據(jù)《科學(xué)進(jìn)展》上的最新文章，以前已經(jīng)使用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)預(yù)測(cè)拉伸的S-DNA中的傾斜堿基對(duì)，但是直到現(xiàn)在為止，還沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)中最終證實(shí)這一點(diǎn)。

DNA最常被稱為遺傳信息的分子載體。但是，在世界各地的研究實(shí)驗(yàn)室中，它也有另一種用途：用于納米級(jí)設(shè)備的建筑材料。為此，科學(xué)家準(zhǔn)備了計(jì)算機(jī)生成的單鏈DNA序列，以便某些部分與其他部分形成堿基對(duì)。這迫使線股像折紙一樣彎曲和折疊。研究人員利用這一原理將DNA折疊成微觀的笑臉，帶有可移動(dòng)鉸鏈和活塞的納米機(jī)器以及可自發(fā)適應(yīng)周圍化學(xué)環(huán)境變化的“智能”材料。

桑迪亞大學(xué)的光學(xué)科學(xué)家，該研究的主要作者亞當(dāng)·巴克說(shuō)：“建造飛機(jī)或橋梁，了解進(jìn)入其中的每種材料的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度和伸展性很重要。” “用DNA設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)時(shí)同樣如此。”

盡管人們對(duì)DNA的雙螺旋的機(jī)械特性了解很多，但是當(dāng)分子在實(shí)驗(yàn)室中拉伸形成S-DNA的梯狀結(jié)構(gòu)時(shí)，其形狀的細(xì)節(jié)仍然是個(gè)謎?？梢暬疍NA結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)方法無(wú)法追蹤分子解旋時(shí)的結(jié)構(gòu)變化。

看到拉伸的DNA

為了表征S-DNA的結(jié)構(gòu)和伸展性，Backer與位于弗里耶大學(xué)(Vrije University)的LaserLaB Amsterdam的生命系統(tǒng)物理研究小組的同事合作。研究人員在期刊文章中描述了他們的過(guò)程。利用他的同事們開發(fā)的儀器，Backer首先在一個(gè)短的病毒DNA的每個(gè)末端連接了一個(gè)微珠。這些珠子充當(dāng)操縱單個(gè)DNA分子的手柄。

接下來(lái)，研究人員使用兩個(gè)緊密聚焦的激光束將串珠的DNA捕獲在一個(gè)充滿液體的狹窄腔室中。由于珠子仍留在激光束中，因此研究人員可以通過(guò)重定向激光束來(lái)移動(dòng)小室中的珠子。這使他們能夠拉伸附著的DNA形成S-DNA。這種用于操縱微觀粒子的技術(shù)稱為光學(xué)鑷子，還可以精確控制施加到單個(gè)DNA分子上的拉伸力。

但是，在拉伸的DNA分子內(nèi)發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化太小，無(wú)法用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡直接觀察到。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，Backer幫助他的同事們將一種稱為熒光偏振顯微鏡的成像方法與光學(xué)鑷子儀相結(jié)合。首先，他們向含有光學(xué)捕獲的DNA的溶液中添加了棒狀的小熒光染料分子。在未拉伸的DNA中，染料分子將自身夾在相鄰的堿基對(duì)之間，并垂直于雙螺旋的中心軸排列。如果拉伸力導(dǎo)致DNA堿基對(duì)傾斜，則染料也會(huì)傾斜。

接下來(lái)，研究人員使用來(lái)自染料的熒光信號(hào)來(lái)確定拉伸的DNA中的堿基對(duì)是否傾斜。熒光染料與來(lái)自激光束的光波相互作用時(shí)發(fā)出綠色熒光，該激光束指向與染料分子相同的軸。研究人員通過(guò)將激光束的偏振旋轉(zhuǎn)各種角度來(lái)改變光波的方向。然后，他們拉伸DNA，觀察綠色熒光信號(hào)在顯微鏡下出現(xiàn)。通過(guò)這些測(cè)量和桑迪亞開發(fā)的計(jì)算分析方法，研究人員確定了染料以及相應(yīng)的堿基對(duì)相對(duì)于DNA中心軸成54度角排列。

Backer說(shuō)：“該實(shí)驗(yàn)提供了迄今為止最直接的證據(jù)，支持了S-DNA包含傾斜堿基對(duì)的假說(shuō)。” “要獲得對(duì)DNA的這種全新的基本理解，必須結(jié)合多種前沿技術(shù)，并將來(lái)自不同技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)家聚集在一起，以實(shí)現(xiàn)共同的目標(biāo)。”

科學(xué)家之間普遍猜測(cè)，在人類細(xì)胞的日常活動(dòng)中可能會(huì)形成類似于S-DNA的結(jié)構(gòu)，但目前，S-DNA的生物學(xué)目的仍是未知的。S-DNA可能有助于修復(fù)受損或斷裂的DNA，有助于預(yù)防細(xì)胞死亡和癌癥。Backer希望這種對(duì)控制DNA變形的物理原理的更清晰的理解將指導(dǎo)S-DNA在細(xì)胞中的作用的進(jìn)一步研究。

Backer于2016年11月加入Sandia，成為Truman研究員時(shí)，他有機(jī)會(huì)啟動(dòng)自己設(shè)計(jì)的獨(dú)立研究計(jì)劃。他在斯坦福大學(xué)研究生院期間開發(fā)了一種偏振顯微鏡方法，并認(rèn)為該技術(shù)具有潛力。貝克說(shuō)：“在桑迪亞，我想盡可能地推廣這項(xiàng)技術(shù)。這項(xiàng)工作帶來(lái)了與生物學(xué)和納米技術(shù)等領(lǐng)域潛在相關(guān)的結(jié)果，這一事實(shí)非常了不起。”