生物分子的拴系態是單分子物理、單分子測序等研究重點關注的對象。拴系態分子作為一種中間態，一端具有游離態自由擴散的部分屬性，另一端則受到分子錨點的嚴格限制，近似于固定態。然而，其分子擴散、介電泳以及分子伸展過程中涉及的電動力學至今尚不清楚。研究拴系態對于揭示該類分子在溶液中的運動模型及分子屬性具有重要的科學意義。
《ACS Nano》2014年10月刊封面
近日，中國科學院重慶綠色智能技術研究院精準醫療與單分子診斷中心與武漢大學、長春理工大學、芬蘭奧盧大學等單位合作在《ACS Nano》期刊發表了題為“Directly Characterizing the Capture Radius of Tethered Double-stranded DNA by Single-Molecule Nanopipette Manipulation”的論文，該論文被雜志編委評選為當期的封面期刊。在這項研究中，他們開發了一種基于納米毛細管的單分子操控、識別及長度測量（Single-molecule Manipulation, Identification, and Length Examination，SMILE）系統。研究團隊利用該系統成功對拴系態雙鏈DNA分子進行捕獲與拉伸操控。研究結果展示了一個圍繞拴系DNA錨點存在的特征捕獲半徑（rcapture）和拉伸半徑（rstretch）。值得注意的是，在不同的捕獲電壓下觀察到針對不同長度DNA的特征捕獲半徑的比例是一致的，這個比例與它們的回旋半徑比例十分接近。而對于拉伸半徑，其比例與輪廓長度（L0）的比例保持一致，并且拉伸比例（rstretch /L0）隨著電壓的增加（100 mV – 1000 mV）從70%增加到90%。更重要的是，研究團隊通過數值模擬計算確定了特征捕獲和拉伸半徑的起源，即它們分別受到由熵彈性主導的捕獲勢壘和電場主導的逃逸勢壘的影響。這項研究引入了一種新的單分子操控與分析方法，有望實現對拴系態分子構象、電學和擴散特性的全面探索。
SMILE單分子操控系統
這項綜合研究首次揭示了拴系態分子被納米孔捕獲的特征長度分布模式。多項研究結果表明，拴系態分子的回旋半徑近似于捕獲半徑的低電壓極限狀態，為揭示拴系分子的內在物理特性提供了實驗和理論基礎。此外，該研究為生物物理學、基因測序以及包括RNA、蛋白質等帶電分子的分子診斷等領域引入了創新的測量方法和研究視角。
該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、國家自然科學青年基金項目以及重慶市自然科學基金的支持。
相關論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c05605