我國科學家開發(fā)出基于納米毛細管的單分子操控、識別及長度測量系統(tǒng)
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】近日，中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院與武漢大學、長春理工大學、芬蘭奧盧大學等合作，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。該研究不僅被評選為當期封面論文，還標志著在單分子操控和分析領(lǐng)域取得了重大突破。
研究團隊開發(fā)了一種基于納米毛細管的單分子操控、識別及長度測量系統(tǒng)(SMILE)。這一系統(tǒng)使得科研人員能夠精確操控、識別和測量單個分子的特性，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)自由擴散的部分屬性，另一端則受到分子錨點的嚴格限制，近似于固定態(tài)。然而，其分子擴散、介電泳及分子伸展過程中的電動力學特性一直尚不清楚，這使得對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有力的工具。研究團隊利用該系統(tǒng)成功對拴系態(tài)雙鏈DNA分子進行了捕獲與拉伸操控。實驗結(jié)果顯示，圍繞拴系DNA錨點存在一個特征捕獲半徑(rcapture)和拉伸半徑(rstretch)。在不同的捕獲電壓下，針對不同長度DNA的特征捕獲半徑的比例是一致的，并且這個比例與它們的回旋半徑比例十分接近。而對于拉伸半徑，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%。
研究團隊進一步通過數(shù)值模擬計算，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的捕獲勢壘的影響，而拉伸半徑則受到電場主導的逃逸勢壘的影響。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驗和理論基礎(chǔ)。
該研究成果不僅為生物物理學、基因測序等領(lǐng)域引入了創(chuàng)新的測量方法和研究視角，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動模型和分子屬性，為精準醫(yī)療和單分子診斷技術(shù)的發(fā)展提供有力支持。
這項研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金及重慶市自然科學基金的支持，體現(xiàn)了我國在單分子科學領(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，為生命科學和醫(yī)學領(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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