测量DNA分子中的力

 tianxiadiyi   2019-07-19 14:03   34 人阅读  0 条评论

DNA,我们的遗传物质,通常具有扭曲的绳梯结构。专家称这种结构为双螺旋结构。除此之外,它通过碱基对之间的堆叠力来稳定。慕尼黑工业大学(TUM)的科学家们成功地在单碱基对水平上首次测量了这些力。这种新知识可以帮助从DNA构建精确的分子机器。

60多年前,研究人员Crick和Watson确定了脱氧核糖核酸的结构,脱氧核糖核酸通常被称为DNA。他们将双螺旋与扭曲成螺旋形的绳梯进行了比较。该阶梯的梯级由鸟嘌呤/胞嘧啶和胸腺嘧啶/腺嘌呤碱基对组成。但是什么使DNA链保持在螺旋结构中?

分子相互作用的特殊测量系统

实验生物物理学主席Hendrik Dietz教授使用DNA作为构建材料来创建分子结构。因此,他对获得对这种材料的更好理解非常感兴趣。“有两种类型的相互作用可以稳定双螺旋,”他解释道。例如,DNA含有氢键。

另一方面,专家们称之为基础对堆叠力,它们沿着螺旋轴在堆叠的基础对之间起作用。另一方面,氢键的作用力垂直于轴。“到目前为止,尚不清楚这两种力量在多大程度上有助于DNA双螺旋的整体稳定性,”Dietz解释道。

直接测量碱基对之间的弱堆叠力对于研究该问题六年的研究人员来说是一项重大的技术挑战。与TUM分子生物物理学主席(Matthias Rief教授)和TUM理论生物物理学主席 - 生物分子动力学(Martin Zacharias教授)合作,他们成功开发了一种特殊的实验装置,现在可以测量极弱的个别分子之间的接触相互作

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简而言之,测量系统是分层设计的并且涉及微观梁,在其顶端设置有一个或多个平行延伸的双螺旋结构。这些已被修改,使得每个末端带有一个碱基对。这些微观光束中的两个与柔性聚合物连接。另一方面,光束耦合到微观球体,可以使用光学激光镊子将其拉开。在解决方案中,其中一个光束末端的基极对现在可以与另一个光束末端的基极对相互作用。这也使得可以测量它们之间的堆叠结合在它们再次分开之前持续多长时间,以及作用在基础对之间的力。

研究人员测量的力量在皮诺顿范围内。“牛顿是一块巧克力的重量,”迪茨解释道。“我们这里拥有的是其中十亿分之一,几乎没有。” 在两个皮诺顿范围内的力足以分离由堆叠力产生的粘合。

此外,科学家还观察到,这些键在几毫秒内自发地分解并再次形成。相互作用的强度和寿命在很大程度上取决于哪些碱基对彼此堆叠。

创建DNA机器

测量结果可能有助于更好地理解基本生物过程的机械方面,例如DNA复制,即遗传物质的繁殖。例如,堆叠相互作用的短寿命可能意味着在此过程中分配碱基对的酶只需要等待堆叠键自行分解 - 而不是必须施加力来分离它们。

然而,Dietz还打算将数据直接应用于他目前的研究:他使用DNA作为可编程建筑材料来构建纳米级的机器。在这样做时,他从复杂的结构中汲取灵感,这些结构可以在细胞中找到,并且除其他外,作为分子“工厂”来合成重要的化合物,例如储存能量的ATP。迪茨说:“我们现在知道如果能够建造足够复杂的结构,将会有什么可能。” “当然,当我们更好地了解分子相互作用的特性时,我们就能更好地处理这些分子。”

目前,实验室正在用DNA构建分子旋转马达,其组成部分互锁并通过堆叠力保持在一起。目标是能够通过化学或热刺激控制定向旋转。要做到这一点,转子在定子中运动的时间是至关重要的,现在通过对堆叠力的新发现,这项任务变得非常容易。江苏快三计划报道


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