雖然 DNA 通常被理想化為“生命分子”，但它也是一種高度復雜的聚合物，可用于下一代材料。除了可以存儲信息這一事實之外，DNA 更令人著迷的方面是它的幾何和拓撲特性，例如打結(jié)和超級盤繞。事實上，就像一根扭曲的電話線一樣，DNA 經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)盤繞在細菌和其他細胞內(nèi)，甚至在病毒中打結(jié)?，F(xiàn)在，愛丁堡大學、圣地亞哥大學和維也納大學的科學家們合作，開始利用這些特性來制作“拓撲可調(diào)”的基于 DNA 的復雜流體和軟材料，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《科學進展》上.
DNA 眾所周知的雙螺旋形狀對其行為有著深遠的影響。線性DNA分子，即有兩個末端的DNA分子，可以自由扭轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動。相比之下，連接兩端以形成 DNA 環(huán)需要雙螺旋的任何過度或不足扭曲保持“拓撲鎖定”，即在不切割分子的情況下無法去除額外的扭曲。扭曲過度或扭曲會對 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 的彎曲減輕了過度/不足扭曲的壓力，從而減小了分子的整體大小。出于這個原因，人們認為超螺旋是細胞用來將其基因組打包到微小空間中的一種自然機制。雖然較小的尺寸自然會導致 DNA 分子在溶液中(例如在水中或通過凝膠孔)的擴散速度更快，但由于阻力較低，當許多 DNA 分子像碗中的面條一樣堆積和纏結(jié)時，不會發(fā)生這種眾所周知的行為。
該研究的第一作者、維也納大學的 Jan Smrek 解釋說：“我們對具有不同超螺旋程度的 DNA 分子的密集溶液進行了大規(guī)模計算機模擬，并發(fā)現(xiàn)了幾個令人驚訝的結(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，因此它們的形狀采用強烈的不對稱和支化構(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)生更快的擴散。”較快的擴散意味著溶液具有較低的粘度。
細菌中天然存在的超螺旋 DNA 分子被稱為質(zhì)粒。在體內(nèi)，細胞具有稱為拓撲異構(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驗室中使用——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力學。我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，確實，DNA 質(zhì)粒用拓撲異構(gòu)酶處理過的，因此具有低超螺旋，比它們高度超螺旋的對應(yīng)物要慢。”在圣地亞哥大學領(lǐng)導實驗的雷·羅伯遜·安德森解釋說。
標簽： DNA
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