具有可調(diào)特性的基于DNA的材料

雖然 DNA 通常被理想化為“生命分子”，但它也是一種高度復(fù)雜的聚合物，可用于下一代材料。除了可以存儲(chǔ)信息這一事實(shí)之外，DNA 更令人著迷的方面是它的幾何和拓?fù)涮匦裕绱蚪Y(jié)和超級(jí)盤(pán)繞。事實(shí)上，就像一根扭曲的電話線一樣，DNA 經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)盤(pán)繞在細(xì)菌和其他細(xì)胞內(nèi)，甚至在病毒中打結(jié)?，F(xiàn)在，愛(ài)丁堡大學(xué)、圣地亞哥大學(xué)和維也納大學(xué)的科學(xué)家們合作，開(kāi)始利用這些特性來(lái)制作“拓?fù)淇烧{(diào)”的基于 DNA 的復(fù)雜流體和軟材料，這些材料在藥物輸送和組織再生方面有潛在的應(yīng)用，發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上.

DNA 眾所周知的雙螺旋形狀對(duì)其行為有著深遠(yuǎn)的影響。線性DNA分子，即有兩個(gè)末端的DNA分子，可以自由扭轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)。相比之下，連接兩端以形成 DNA 環(huán)需要雙螺旋的任何過(guò)度或不足扭曲保持“拓?fù)滏i定”，即在不切割分子的情況下無(wú)法去除額外的扭曲。扭曲過(guò)度或扭曲會(huì)對(duì) DNA 分子在空間中的排列方式產(chǎn)生有趣的影響——特別是，它們非常像舊電話線那樣盤(pán)繞和扣在自己身上，形成所謂的超螺旋構(gòu)象(圖 1)。DNA 的彎曲減輕了過(guò)度/不足扭曲的壓力，從而減小了分子的整體大小。出于這個(gè)原因，人們認(rèn)為超螺旋是細(xì)胞用來(lái)將其基因組打包到微小空間中的一種自然機(jī)制。雖然較小的尺寸自然會(huì)導(dǎo)致 DNA 分子在溶液中(例如在水中或通過(guò)凝膠孔)的擴(kuò)散速度更快，但由于阻力較低，當(dāng)許多 DNA 分子像碗中的面條一樣堆積和纏結(jié)時(shí)，不會(huì)發(fā)生這種眾所周知的行為。

該研究的第一作者、維也納大學(xué)的 Jan Smrek 解釋說(shuō)：“我們對(duì)具有不同超螺旋程度的 DNA 分子的密集溶液進(jìn)行了大規(guī)模計(jì)算機(jī)模擬，并發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)令人驚訝的結(jié)果。”“與稀釋情況相反，DNA 環(huán)越螺旋，它們的尺寸就越大。”由于分子需要相互避開(kāi)，因此它們的形狀采用強(qiáng)烈的不對(duì)稱和支化構(gòu)象，比非超螺旋結(jié)構(gòu)占據(jù)更多的體積。有趣的是，與預(yù)期相反，“更大的 DNA 分子仍然產(chǎn)生更快的擴(kuò)散。”較快的擴(kuò)散意味著溶液具有較低的粘度。

細(xì)菌中天然存在的超螺旋 DNA 分子被稱為質(zhì)粒。在體內(nèi)，細(xì)胞具有稱為拓?fù)洚悩?gòu)酶的特殊蛋白質(zhì)，可以減少質(zhì)粒中的超螺旋量。“多虧了這些蛋白質(zhì)——它們可以被純化并在實(shí)驗(yàn)室中使用——我們能夠控制纏結(jié) DNA 質(zhì)粒中超螺旋的程度，并使用熒光染料研究它們的動(dòng)力學(xué)。我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，確實(shí)，DNA 質(zhì)粒用拓?fù)洚悩?gòu)酶處理過(guò)的，因此具有低超螺旋，比它們高度超螺旋的對(duì)應(yīng)物要慢。”在圣地亞哥大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的雷·羅伯遜·安德森解釋說(shuō)。

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