先进的显微镜显示不寻常的DNA结构



桑迪亚(Sandia)科学家突破技术极限,以了解拉伸S-DNA的基本特征。

先进的成像技术揭示了S-DNA的新结构细节,即分子承受极大张力时形成的梯状DNA。在荷兰桑迪亚国家实验室和弗里耶大学进行的这项工作提供了第一个实验证据,表明S-DNA包含高度倾斜的碱基对。

先进的显微镜显示不寻常的DNA结构

DNA碱基对的可预测的配对和堆积有助于定义分子的双螺旋形状。了解当DNA拉伸时碱基对如何重新排列可能会提供对一系列生物过程的洞察力,并改善用DNA构建的纳米器件的设计和性能。根据《科学进展》上的最新文章,以前已经使用计算机模拟预测了拉伸的S-DNA中的倾斜碱基对,但是直到现在为止,还没有在实验中最终证实这一点。

DNA最常被称为遗传信息的分子载体。但是,在世界各地的研究实验室中,它也有另一种用途:用于纳米级设备的建筑材料。为此,科学家准备了计算机生成的单链DNA序列,以便某些部分与其他部分形成碱基对。这迫使线股像折纸一样弯曲和折叠。研究人员利用这一原理将DNA折叠成微观的笑脸,带有可移动铰链和活塞的纳米机器以及可自发适应周围化学环境变化的“智能”材料。

桑迪亚大学的光学科学家,该研究的主要作者亚当·贝克说:“建造一架飞机或桥梁,了解进入其中的每种材料的结构,强度和伸展性很重要。”“当设计具有DNA的纳米结构时,也是一样。”

尽管人们对DNA的双螺旋的机械特性了解很多,但是当分子在实验室中拉伸形成S-DNA的梯状结构时,其形状的细节仍然是个谜。可视化DNA结构的标准方法无法追踪分子解旋时的结构变化。

看到拉伸的DNA

为了表征S-DNA的结构和伸展性,Backer与位于弗里耶大学(Vrije University)的LaserLaB Amsterdam的生命系统物理研究小组的同事合作。研究人员在期刊文章中描述了他们的过程。利用他的同事们开发的仪器,Backer首先在一个短的病毒DNA的每个末端连接了一个微珠。这些珠子充当操纵单个DNA分子的手柄。

接下来,研究人员使用两个紧密聚焦的激光束将串珠的DNA捕获在一个充满液体的狭窄腔室中。由于珠子被困在激光束中,因此研究人员可以通过重定向激光束来移动小室中的珠子。这使他们能够拉伸附着的DNA形成S-DNA。这种用于操纵微观粒子的技术称为光学镊子,还可以精确控制施加到单个DNA分子上的拉伸力。

但是,在拉伸的DNA分子内发生的结构变化太小,无法用标准光学显微镜直接观察到。为了应对这一挑战,Backer帮助他的同事们将一种称为荧光偏振显微镜的成像方法与光学镊子仪相结合。首先,他们向含有光学捕获的DNA的溶液中添加了棒状的小荧光染料分子。在未拉伸的DNA中,染料分子将自身夹在相邻的碱基对之间,并垂直于双螺旋的中心轴排列。如果拉伸力导致DNA碱基对倾斜,则染料也会倾斜。

接下来,研究人员使用的荧光信号从所述染料,以确定是否在拉伸DNA碱基对倾斜。荧光染料与来自激光束的光波相互作用时发出绿色荧光,该激光束指向与染料分子相同的轴。研究人员通过各种角度旋转的激光束的偏振改变光波的方向。然后,他们拉伸DNA,观察绿色荧光信号在显微镜下出现。通过这些测量和桑迪亚开发的计算分析方法,研究人员确定了染料以及相应的碱基对相对于DNA中心轴成54度角排列。

Backer说:“该实验提供了迄今为止最直接的证据,支持了S-DNA包含倾斜碱基对的假说。”“为了获得对DNA的全新的基本理解,有必要将许多前沿技术结合起来,并将来自不同技术领域的科学家聚集在一起,以实现一个共同的目标。”

科学家之间普遍猜测,在人类细胞的日常活动中可能会形成类似于S-DNA的结构,但目前,S-DNA的生物学目的仍是未知的。S-DNA可能有助于修复受损或断裂的DNA,有助于预防细胞死亡和癌症。Backer希望这种对控制DNA变形的物理原理的更清晰的理解将指导S-DNA在细胞中的作用的进一步研究。

Backer于2016年11月加入Sandia,成为Truman研究员时,他有机会启动自己设计的独立研究计划。他在斯坦福大学研究生院期间开发了一种偏振显微镜方法,并认为该技术具有潜力。贝克说:“在桑迪亚,我想尽可能地推广这项技术。这项工作带来了与生物学和纳米技术等领域潜在相关的结果,这一事实非同寻常。”




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