生物單分子的結(jié)構和動力學研究現(xiàn)狀

1、生物單分子的結(jié)構和動力學研究現(xiàn)狀一、引言生命活動是細胞內(nèi)如DNA、RNA、蛋白質(zhì)等大分子通過復雜的化學反應以及信號通路實現(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射線晶體學等先進技術為獲得大量的生物分子的結(jié)構信息做出了突出貢獻，然而，這些傳統(tǒng)的結(jié)構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)計平均結(jié)果，為了能夠定量地理解復合分子以及多種分子參與的生物化學反應過程，同時對單個分子在其中的動態(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行探測和操縱。作為生命遺傳基因的攜帶者，DNA分子首當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和生物特性的生物化學分子，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。基于DNA納米技術是一個充滿活力和擴大的領域。DNA分子在生物研究領域以及工業(yè)制造領域的良好發(fā)展前景導致了對DNA單分子研究領域的熱度急劇提升。近年來，實現(xiàn)拉伸單個DNA分子已經(jīng)成為人們研究DNA的一個重要手段，熒光顯微技術的出現(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分子的實驗當中。例如微吸管34、磁鑷35-37、光鑷3

3、8-41等技術，但這些方法都對操作技術要求非常高。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，同時利用流體的流動使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45、準確控制液面移動46、氣體推動液體流動47，和液體對流48等等。這些利用流體的方法都可以認為是Bensimon21分子梳法的延伸。二、分子梳技術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)的對整個染色體進行遺傳分析所提出的機制。根據(jù)特定的pH值和離

4、子強度，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，當溶液從表面的空氣-水界面移動過去時，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，可以滿足設計制造具有化學特性和細微功能結(jié)構傳感器的要求54，對很好地理解生理學過程有很大的幫助。吸附在表面上的不同結(jié)構和形態(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（MCT）已經(jīng)成為生物物理學以及生物學科中研究DNA及其他生物大分子等的各項物理生物性質(zhì)的非常

5、行之有效的技術之一。分子梳技術可以滿足研究人員關于DNA等大分子的實時、可視、動態(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。分子梳法大大提高了對DNA分子形成機理的結(jié)構化和功能化的認識，并且使在高分辨率下對單個分子的基因研究成為可能。許多關于DNA分子的有價值且非常有趣的結(jié)論都是基于這種方法得到的22-25。近些年，與其他先進的科學技術的結(jié)合，使得分子梳法的應用范圍被大大的拓寬，在生物物理學、生物技術、生物化學以及微納米器件等領域得到了長足的發(fā)展，分子梳法目前已經(jīng)成為在微小領域研究的基礎技術。三、 光鑷方法操縱單個DNA分子 5端都被標記生物素的DNA分

6、子被固定在兩個涂覆有抗生蛋白鏈菌素的聚苯乙烯玻璃球之間。一個玻璃球由玻璃微吸管控制，另一個則被光鑷控制，光鑷可以測量施加在DNA分子上的拉伸外力。在這步中，可以研究單個分子DNA的力學擴張行為。通過這些研究，DNA分子的彈性與結(jié)構參數(shù)可以被推導出來。除了可以獲得DNA分子的結(jié)構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)合時的動態(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。光鑷技術流程圖四、磁鑷方法操縱單個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，就是操作的對象只能是單個DNA分子，不能大量的獲取拉伸的DNA分子，且對儀器要求較高，僅能在實驗室層面上進行操作。相對的，分子梳法的優(yōu)勢顯而易見，能用簡單的實驗平臺同時獲得大量拉伸良好的DNA分子，實用性較強。 近些年， EMCCD、單分子熒光技術、倒置熒光顯微、微納米精細材料等先進技術的快速發(fā)展，也為以DNA為代表的生物大分子的結(jié)構和動力學研究提供了更好