生物單分子的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀

1、生物單分子的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀一、引言生命活動(dòng)是細(xì)胞內(nèi)如DNA、RNA、蛋白質(zhì)等大分子通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)以及信號通路實(shí)現(xiàn)的，近些年來一些擁有高分辨率的分析方法如核磁共振譜、x射線晶體學(xué)等先進(jìn)技術(shù)為獲得大量的生物分子的結(jié)構(gòu)信息做出了突出貢獻(xiàn)，然而，這些傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)獲取方法只能提供一些視覺感官上的結(jié)論，并且得到的結(jié)果往往是大量分子的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，為了能夠定量地理解復(fù)合分子以及多種分子參與的生物化學(xué)反應(yīng)過程，同時(shí)對單個(gè)分子在其中的動(dòng)態(tài)變化過程有清晰的理解，就必須創(chuàng)建打破傳統(tǒng)，創(chuàng)建新的方法在單分子水平對生物大分子進(jìn)行探測和操縱。作為生命遺傳基因的攜帶者，DNA分子首當(dāng)其沖地成為研究的熱門對象。脫氧核糖

2、核酸（DNA），是一種具有顯著化學(xué)和生物特性的生物化學(xué)分子，DNA寬度約為1-2納米的，長度超過微米，特定的分子識別性能和大高寬比使DNA分子成為一種建立納米尺度很有前途的模板，能夠?qū)崿F(xiàn)自下向上的納米線和納米器件的制造?；贒NA納米技術(shù)是一個(gè)充滿活力和擴(kuò)大的領(lǐng)域。DNA分子在生物研究領(lǐng)域以及工業(yè)制造領(lǐng)域的良好發(fā)展前景導(dǎo)致了對DNA單分子研究領(lǐng)域的熱度急劇提升。近年來，實(shí)現(xiàn)拉伸單個(gè)DNA分子已經(jīng)成為人們研究DNA的一個(gè)重要手段，熒光顯微技術(shù)的出現(xiàn)又在很大程度上方便了在單分子水平上對DNA的觀察32-33。許多新興的物理手段也被用于拉伸DNA分子的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。例如微吸管34、磁鑷35-37、光鑷3

3、8-41等技術(shù)，但這些方法都對操作技術(shù)要求非常高。之后，借助DNA分子與經(jīng)過特殊處理的表面的特異性結(jié)合固定DNA分子，同時(shí)利用流體的流動(dòng)使DNA分子被拉伸的方法出現(xiàn)了許多，使得獲取大量被拉伸DNA分子成為可能：空氣與液體界面退卻42-43、旋轉(zhuǎn)離心44、玻片邊沿滑動(dòng)45、準(zhǔn)確控制液面移動(dòng)46、氣體推動(dòng)液體流動(dòng)47，和液體對流48等等。這些利用流體的方法都可以認(rèn)為是Bensimon21分子梳法的延伸。二、分子梳技術(shù)分子梳的方法指的是DNA分子被均勻且不可逆轉(zhuǎn)的被拉伸、平鋪到一個(gè)經(jīng)過特殊處理過的固體表面上，是Bensimon21等最初開發(fā)的對整個(gè)染色體進(jìn)行遺傳分析所提出的機(jī)制。根據(jù)特定的pH值和離

4、子強(qiáng)度，部分熔融的DNA的兩端分子暴露了他們的疏水核心，并吸附在疏水性表面上，當(dāng)溶液從表面的空氣-水界面移動(dòng)過去時(shí)，端吸附分子就被拉伸并沉積在表面上。被操縱拉伸后的單鏈和雙鏈DNA在固體表面上的吸附在生物科技、生物醫(yī)藥以及納米科技方向扮演者極為重要的角色，可以滿足設(shè)計(jì)制造具有化學(xué)特性和細(xì)微功能結(jié)構(gòu)傳感器的要求54，對很好地理解生理學(xué)過程有很大的幫助。吸附在表面上的不同結(jié)構(gòu)和形態(tài)的DNA分子可以與其他的分子發(fā)生作用，比如可以改變不同藥物對DNA凹槽的可親近性以及改變DNA分子的雜交效率。目前，分子梳技術(shù)（MCT）已經(jīng)成為生物物理學(xué)以及生物學(xué)科中研究DNA及其他生物大分子等的各項(xiàng)物理生物性質(zhì)的非常

5、行之有效的技術(shù)之一。分子梳技術(shù)可以滿足研究人員關(guān)于DNA等大分子的實(shí)時(shí)、可視、動(dòng)態(tài)分析等多方面的要求，原理明了易于理解，且操作人性化，逐漸成為生物研究中的主流技術(shù)。分子梳法大大提高了對DNA分子形成機(jī)理的結(jié)構(gòu)化和功能化的認(rèn)識，并且使在高分辨率下對單個(gè)分子的基因研究成為可能。許多關(guān)于DNA分子的有價(jià)值且非常有趣的結(jié)論都是基于這種方法得到的22-25。近些年，與其他先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)的結(jié)合，使得分子梳法的應(yīng)用范圍被大大的拓寬，在生物物理學(xué)、生物技術(shù)、生物化學(xué)以及微納米器件等領(lǐng)域得到了長足的發(fā)展，分子梳法目前已經(jīng)成為在微小領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)技術(shù)。三、 光鑷方法操縱單個(gè)DNA分子 5端都被標(biāo)記生物素的DNA分

6、子被固定在兩個(gè)涂覆有抗生蛋白鏈菌素的聚苯乙烯玻璃球之間。一個(gè)玻璃球由玻璃微吸管控制，另一個(gè)則被光鑷控制，光鑷可以測量施加在DNA分子上的拉伸外力。在這步中，可以研究單個(gè)分子DNA的力學(xué)擴(kuò)張行為。通過這些研究，DNA分子的彈性與結(jié)構(gòu)參數(shù)可以被推導(dǎo)出來。除了可以獲得DNA分子的結(jié)構(gòu)特性和彈性信息以外，光鑷操縱DNA分子過程可以研究DNA分子與其他配體如蛋白質(zhì)或染料之間結(jié)合時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。 光鑷法操縱DNA分子的外力來源是通過光勢阱對DNA分子進(jìn)行捕捉，通過控制光勢阱的位置來通過DNA分子的走向。光鑷技術(shù)流程圖四、磁鑷方法操縱單個(gè)DNA分子磁鑷法操縱DNA分子與光鑷法非常類似，只是外力來源變?yōu)榇艌隽?，通過磁場的大小、方向等對DNA分子產(chǎn)生一定的作用力。相對于光鑷法來說，磁鑷法減少了對DNA分子本身由于光致發(fā)熱而產(chǎn)生的傷害?？梢钥闯龃盆嚪ê凸忤嚪m然各有長處，但都有共同的缺點(diǎn)，就是操作的對象只能是單個(gè)DNA分子，不能大量的獲取拉伸的DNA分子，且對儀器要求較高，僅能在實(shí)驗(yàn)室層面上進(jìn)行操作。相對的，分子梳法的優(yōu)勢顯而易見，能用簡單的實(shí)驗(yàn)平臺同時(shí)獲得大量拉伸良好的DNA分子，實(shí)用性較強(qiáng)。 近些年， EMCCD、單分子熒光技術(shù)、倒置熒光顯微、微納米精細(xì)材料等先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，也為以DNA為代表的生物大分子的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究提供了更好