生物单分子的结构和动力学研究现状

1、生物单分子的结构和动力学研究现状一、引言生命活动是细胞内如DNA、RNA、蛋白质等大分子通过复杂的化学反应以及信号通路实现的，近些年来一些拥有高分辨率的分析方法如核磁共振谱、x射线晶体学等先进技术为获得大量的生物分子的结构信息做出了突出贡献，然而，这些传统的结构获取方法只能提供一些视觉感官上的结论，并且得到的结果往往是大量分子的统计平均结果，为了能够定量地理解复合分子以及多种分子参与的生物化学反应过程，同时对单个分子在其中的动态变化过程有清晰的理解，就必须创建打破传统，创建新的方法在单分子水平对生物大分子进行探测和操纵。作为生命遗传基因的携带者，DNA分子首当其冲地成为研究的热门对象。脱氧核糖

2、核酸（DNA），是一种具有显著化学和生物特性的生物化学分子，DNA宽度约为1-2纳米的，长度超过微米，特定的分子识别性能和大高宽比使DNA分子成为一种建立纳米尺度很有前途的模板，能够实现自下向上的纳米线和纳米器件的制造。基于DNA纳米技术是一个充满活力和扩大的领域。DNA分子在生物研究领域以及工业制造领域的良好发展前景导致了对DNA单分子研究领域的热度急剧提升。近年来，实现拉伸单个DNA分子已经成为人们研究DNA的一个重要手段，荧光显微技术的出现又在很大程度上方便了在单分子水平上对DNA的观察32-33。许多新兴的物理手段也被用于拉伸DNA分子的实验当中。例如微吸管34、磁镊35-37、光镊3

3、8-41等技术，但这些方法都对操作技术要求非常高。之后，借助DNA分子与经过特殊处理的表面的特异性结合固定DNA分子，同时利用流体的流动使DNA分子被拉伸的方法出现了许多，使得获取大量被拉伸DNA分子成为可能：空气与液体界面退却42-43、旋转离心44、玻片边沿滑动45、准确控制液面移动46、气体推动液体流动47，和液体对流48等等。这些利用流体的方法都可以认为是Bensimon21分子梳法的延伸。二、分子梳技术分子梳的方法指的是DNA分子被均匀且不可逆转的被拉伸、平铺到一个经过特殊处理过的固体表面上，是Bensimon21等最初开发的对整个染色体进行遗传分析所提出的机制。根据特定的pH值和离

4、子强度，部分熔融的DNA的两端分子暴露了他们的疏水核心，并吸附在疏水性表面上，当溶液从表面的空气-水界面移动过去时，端吸附分子就被拉伸并沉积在表面上。被操纵拉伸后的单链和双链DNA在固体表面上的吸附在生物科技、生物医药以及纳米科技方向扮演者极为重要的角色，可以满足设计制造具有化学特性和细微功能结构传感器的要求54，对很好地理解生理学过程有很大的帮助。吸附在表面上的不同结构和形态的DNA分子可以与其他的分子发生作用，比如可以改变不同药物对DNA凹槽的可亲近性以及改变DNA分子的杂交效率。目前，分子梳技术（MCT）已经成为生物物理学以及生物学科中研究DNA及其他生物大分子等的各项物理生物性质的非常

5、行之有效的技术之一。分子梳技术可以满足研究人员关于DNA等大分子的实时、可视、动态分析等多方面的要求，原理明了易于理解，且操作人性化，逐渐成为生物研究中的主流技术。分子梳法大大提高了对DNA分子形成机理的结构化和功能化的认识，并且使在高分辨率下对单个分子的基因研究成为可能。许多关于DNA分子的有价值且非常有趣的结论都是基于这种方法得到的22-25。近些年，与其他先进的科学技术的结合，使得分子梳法的应用范围被大大的拓宽，在生物物理学、生物技术、生物化学以及微纳米器件等领域得到了长足的发展，分子梳法目前已经成为在微小领域研究的基础技术。三、 光镊方法操纵单个DNA分子 5端都被标记生物素的DNA分

6、子被固定在两个涂覆有抗生蛋白链菌素的聚苯乙烯玻璃球之间。一个玻璃球由玻璃微吸管控制，另一个则被光镊控制，光镊可以测量施加在DNA分子上的拉伸外力。在这步中，可以研究单个分子DNA的力学扩张行为。通过这些研究，DNA分子的弹性与结构参数可以被推导出来。除了可以获得DNA分子的结构特性和弹性信息以外，光镊操纵DNA分子过程可以研究DNA分子与其他配体如蛋白质或染料之间结合时的动态特性。 光镊法操纵DNA分子的外力来源是通过光势阱对DNA分子进行捕捉，通过控制光势阱的位置来通过DNA分子的走向。光镊技术流程图四、磁镊方法操纵单个DNA分子磁镊法操纵DNA分子与光镊法非常类似，只是外力来源变为磁场力，通过磁场的大小、方向等对DNA分子产生一定的作用力。相对于光镊法来说，磁镊法减少了对DNA分子本身由于光致发热而产生的伤害。可以看出磁镊法和光镊法虽然各有长处，但都有共同的缺点，就是操作的对象只能是单个DNA分子，不能大量的获取拉伸的DNA分子，且对仪器要求较高，仅能在实验室层面上进行操作。相对的，分子梳法的优势显而易见，能用简单的实验平台同时获得大量拉伸良好的DNA分子，实用性较强。 近些年， EMCCD、单分子荧光技术、倒置荧光显微、微纳米精细材料等先进技术的快速发展，也为以DNA为代表的生物大分子的结构和动力学研究提供了更好