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具有可调特性的基于DNA的材料

虽然 DNA 通常被理想化为“生命分子”,但它也是一种高度复杂的聚合物,可用于下一代材料。除了可以存储信息这一事实之外,DNA 更令人着迷的方面是它的几何和拓扑特性,例如打结和超级盘绕。事实上,就像一根扭曲的电话线一样,DNA 经常被发现盘绕在细菌和其他细胞内,甚至在病毒中打结。现在,爱丁堡大学、圣地亚哥大学和维也纳大学的科学家们合作,开始利用这些特性来制作“拓扑可调”的基于 DNA 的复杂流体和软材料,这些材料在药物输送和组织再生方面有潜在的应用,发表在《科学进展》上.

DNA 众所周知的双螺旋形状对其行为有着深远的影响。线性DNA分子,即有两个末端的DNA分子,可以自由扭转和转动。相比之下,连接两端以形成 DNA 环需要双螺旋的任何过度或不足扭曲保持“拓扑锁定”,即在不切割分子的情况下无法去除额外的扭曲。扭曲过度或扭曲会对 DNA 分子在空间中的排列方式产生有趣的影响——特别是,它们非常像旧电话线那样盘绕和扣在自己身上,形成所谓的超螺旋构象(图 1)。DNA 的弯曲减轻了过度/不足扭曲的压力,从而减小了分子的整体大小。出于这个原因,人们认为超螺旋是细胞用来将其基因组打包到微小空间中的一种自然机制。虽然较小的尺寸自然会导致 DNA 分子在溶液中(例如在水中或通过凝胶孔)的扩散速度更快,但由于阻力较低,当许多 DNA 分子像碗中的面条一样堆积和缠结时,不会发生这种众所周知的行为。

该研究的第一作者、维也纳大学的 Jan Smrek 解释说:“我们对具有不同超螺旋程度的 DNA 分子的密集溶液进行了大规模计算机模拟,并发现了几个令人惊讶的结果。”“与稀释情况相反,DNA 环越螺旋,它们的尺寸就越大。”由于分子需要相互避开,因此它们的形状采用强烈的不对称和支化构象,比非超螺旋结构占据更多的体积。有趣的是,与预期相反,“更大的 DNA 分子仍然产生更快的扩散。”较快的扩散意味着溶液具有较低的粘度。

细菌中天然存在的超螺旋 DNA 分子被称为质粒。在体内,细胞具有称为拓扑异构酶的特殊蛋白质,可以减少质粒中的超螺旋量。“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 质粒中超螺旋的程度,并使用荧光染料研究它们的动力学。我们惊讶地发现,确实,DNA 质粒用拓扑异构酶处理过的,因此具有低超螺旋,比它们高度超螺旋的对应物要慢。”在圣地亚哥大学领导实验的雷·罗伯逊·安德森解释说。

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