2021年5月31日
虽然DNA通常被理想化地描述为“生命分子”，但它也是一种可以用于下一代材料的高度复杂的聚合物。亚博网站下载
除了可以存储信息之外，DNA更吸引人的是它的几何和拓扑特性，比如打结和超级盘绕。的确，就像扭曲的电话线一样，DNA经常盘绕在细菌和其他细胞中，甚至在病毒中打结。现在，来自爱丁堡大学、圣地亚哥大学和维也纳大学的科学家们已经开始利用这些特性来制造“拓扑可调”的dna复合流体和软材料，这些材料在药物传递和组织再生方面有潜在的应用前景亚博网站下载亚博老虎机网登录科学的进步．
众所周知的DNA双螺旋形状对其行为有着深远的影响。线性DNA分子，也就是有两端的DNA分子，可以自由地扭曲和转动。相比之下，将两端连接成一个DNA环，双螺旋的任何过度或过度扭曲都将保持“拓扑锁定”，也就是说，如果不切断分子，额外的扭曲就无法去除。DNA分子在空间中的排列方式会产生有趣的结果——特别是，它们会像旧电话线一样缠绕并扣在自己身上，形成所谓的超盘绕结构(图1)。DNA的弯曲减轻了过度/过度扭曲带来的压力，从而减小了分子的整体尺寸。因此，人们认为超级盘绕是一种自然机制，细胞利用这种机制将它们的基因组封装到微小的空间中。虽然较小的尺寸自然会导致DNA分子在溶液中(如在水中或通过凝胶孔)扩散得更快，但由于阻力较小，当许多DNA分子像碗中的意大利面一样被包裹和纠缠时，这种众所周知的行为就不会发生。
“我们对DNA分子的密集溶液进行了大规模的计算机模拟，并发现了几个令人惊讶的结果。”该研究的第一作者、维也纳大学的Jan Smrek解释道。“与稀释的情况相反，DNA环越盘绕，它们的尺寸就越大。”由于分子需要相互避免，它们的形状采用了强烈的不对称和分枝构象，比它们的非超螺旋构象占据了更多的体积。有趣的是，与预期相反的是，“更大的DNA分子仍然产生更快的扩散。”扩散越快，说明溶液粘度越低。
自然存在于细菌中的超盘绕DNA分子被称为质粒。在体内，细胞有一种叫做拓扑异构酶的特殊蛋白质，它可以减少质粒中的超螺旋。“多亏了这些蛋白质——它们可以被纯化并在实验室中使用——我们能够控制缠结DNA质粒的超卷曲程度，并使用荧光染料研究它们的动态。我们惊讶地发现，确实，经过拓扑异构酶处理的DNA质粒，因此具有低超螺旋，比高度超螺旋的DNA质粒要慢。”圣地亚哥大学实验负责人雷·罗伯逊·安德森解释道。
为了解释这种令人惊讶的快速动力学，科学家们在超级计算机上进行了大规模模拟，以量化溶液中分子的纠缠程度。虽然我们知道环状聚合物(类似于圆形DNA质粒)可以被另一个环穿过，这意味着后者可以穿透前者的眼睛，但我们不知道这种类型的纠缠如何影响超螺旋DNA的运动。通过模拟，科学家们发现，高度的超螺旋减少了每个分子的穿透面积，从而导致质粒之间的线更少，最终产生粘度更低的溶液。尽管如此，质粒仍然可以相互包裹，并在没有穿线的情况下限制彼此的运动。然而，超卷使构象变硬，从而使它们不容易弯曲和紧密纠缠，这也减少了这种类型的纠缠。
爱丁堡大学的达维德·米切莱托总结道，“我们不仅在模拟中发现了这些新的效应，而且我们还通过实验证明了这些趋势，并发展了一种定量描述它们的理论。”通过改变超卷，我们可以随意调节这些复杂流体的粘度。我们现在对分子的自适应几何结构和最终的材料特性之间的联系有了更好的理解。这不仅从基本的角度来看是令人兴奋的，而且也预示着有用的应用程序。使用特定的酶，如拓扑异构酶，我们可以设计出具有可调谐特性的可切换dna软材料。”亚博网站下载
发表在亚博老虎机网登录科学的进步《超螺旋质粒纠缠溶液中DNA流动性的拓扑调谐》，Jan Smrek, Jonathan Garamella, Rae Robertson-Anderson, Davide Michieletto，亚博老虎机网登录科学的进步2021年5月12日:第7卷第1期20, eabf9260, DOI: 10.1126/sciad .abf9260
来源:https://www.univie.ac.at/en/