我國科學(xué)家開發(fā)出基于納米毛細(xì)管的單分子操控、識(shí)別及長度測(cè)量系統(tǒng)
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】近日，中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院與武漢大學(xué)、長春理工大學(xué)、芬蘭奧盧大學(xué)等合作，在《ACS Nano》期刊上發(fā)表了一篇題為“Directly Characterizing the Capture Radius of Tethered Double-stranded DNA by Single-Molecule Nanopipette Manipulation”的研究論文。該研究不僅被評(píng)選為當(dāng)期封面論文，還標(biāo)志著在單分子操控和分析領(lǐng)域取得了重大突破。
研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于納米毛細(xì)管的單分子操控、識(shí)別及長度測(cè)量系統(tǒng)(SMILE)。這一系統(tǒng)使得科研人員能夠精確操控、識(shí)別和測(cè)量單個(gè)分子的特性，特別是拴系態(tài)雙鏈DNA分子的特性。拴系態(tài)分子是一種中間態(tài)，一端具有游離態(tài)自由擴(kuò)散的部分屬性，另一端則受到分子錨點(diǎn)的嚴(yán)格限制，近似于固定態(tài)。然而，其分子擴(kuò)散、介電泳及分子伸展過程中的電動(dòng)力學(xué)特性一直尚不清楚，這使得對(duì)這類分子的深入研究充滿挑戰(zhàn)。
SMILE系統(tǒng)的出現(xiàn)為這一問題的解決提供了強(qiáng)有力的工具。研究團(tuán)隊(duì)利用該系統(tǒng)成功對(duì)拴系態(tài)雙鏈DNA分子進(jìn)行了捕獲與拉伸操控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，圍繞拴系DNA錨點(diǎn)存在一個(gè)特征捕獲半徑(rcapture)和拉伸半徑(rstretch)。在不同的捕獲電壓下，針對(duì)不同長度DNA的特征捕獲半徑的比例是一致的，并且這個(gè)比例與它們的回旋半徑比例十分接近。而對(duì)于拉伸半徑，其比例與輪廓長度(L0)的比例保持一致，拉伸比例(rstretch/L0)隨著電壓的增加(100 mV – 1000 mV)從70%增加到90%。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過數(shù)值模擬計(jì)算，確定了特征捕獲和拉伸半徑的起源。他們發(fā)現(xiàn)，特征捕獲半徑受到由熵彈性主導(dǎo)的捕獲勢(shì)壘的影響，而拉伸半徑則受到電場(chǎng)主導(dǎo)的逃逸勢(shì)壘的影響。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了拴系態(tài)分子被納米孔捕獲的特征長度分布模式，也為理解拴系態(tài)分子的內(nèi)在物理特性提供了實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。
該研究成果不僅為生物物理學(xué)、基因測(cè)序等領(lǐng)域引入了創(chuàng)新的測(cè)量方法和研究視角，還為包括RNA、蛋白質(zhì)等帶電分子的分子診斷提供了新的可能性。通過SMILE系統(tǒng)，科研人員可以更加深入地了解這些分子在溶液中的運(yùn)動(dòng)模型和分子屬性，為精準(zhǔn)醫(yī)療和單分子診斷技術(shù)的發(fā)展提供有力支持。
這項(xiàng)研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金及重慶市自然科學(xué)基金的支持，體現(xiàn)了我國在單分子科學(xué)領(lǐng)域的持續(xù)投入和創(chuàng)新能力。隨著SMILE系統(tǒng)的不斷完善和推廣應(yīng)用，相信未來會(huì)有更多關(guān)于拴系態(tài)分子和其他生物分子的深入研究，為生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展注入新的活力。
參考來源： 重慶綠色智能技術(shù)研究院
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