桑迪亚(Sandia)迷信家打破技术极限,以了解拉伸S-DNA的微镜基本特征 。
先进的不寻成像技术提醒了S-DNA的新结构细节 ,即分子接受极大张力时构成的先进显示梯状DNA。在荷兰桑迪亚实验室和弗里耶大学启动的微镜这项任务提供了第一个实验证据,标明S-DNA包括高度倾斜的不寻碱基对 。
DNA碱基对的先进显示可预测的配对和堆积有助于定义分子的双螺旋外形 。了解当DNA拉伸时碱基对如何重新陈列或许会提供对一系列生物环节的微镜洞察力 ,并改善用DNA构建的不寻纳米器件的设计和性能。依据《迷信进度》上的先进显示最新文章,以前曾经经常使用计算机模拟预测了拉伸的微镜S-DNA中的倾斜碱基对 ,但是不寻直到如今为止,还没有在实验中最终证明这一点。
DNA最常被称为遗传信息的分子载体。但是,在全球各地的研讨实验室中,它也有另一种用途:用于纳米级设备的修建资料。为此,迷信家预备了计算机生成的单链DNA序列,以便某些部分与其他部分构成碱基对。这迫使线股像折纸一样弯曲和折叠 。研讨人员应用这一原理将DNA折叠成微观的笑脸 ,带有可移动铰链和活塞的纳米机器以及可自发顺应周围化学环境变化的“智能”资料。
桑迪亚大学的光学迷信家 ,该研讨的关键作者亚当·贝克说:“建造一架飞机或桥梁,了解进入其中的每种资料的结构 ,强度和伸展性很关键 。”“当设计具有DNA的纳米结构时 ,也是一样。”
虽然人们对DNA的双螺旋的机械特性了解很多 ,但是当分子在实验室中拉伸构成S-DNA的梯状结构时 ,其外形的细节依然是个谜。可视化DNA结构的规范方法无法追踪分子解旋时的结构变化。
看到拉伸的DNA
为了表征S-DNA的结构和伸展性 ,Backer与位于弗里耶大学(Vrije University)的LaserLaB Amsterdam的生命系统物理研讨小组的同事协作 。研讨人员在期刊文章中描画了他们的环节 。应用他的同事们开发的仪器 ,Backer首先在一个短的病毒DNA的每个末端衔接了一个微珠。这些珠子充任操纵单个DNA分子的手柄。
接上去 ,研讨人员经常使用两个严密聚焦的激光束将串珠的DNA捕捉在一个充溢液体的狭窄腔室中。由于珠子被困在激光束中 ,因此研讨人员可以经过重定向激光束来移动小室中的珠子 。这使他们能够拉伸附着的DNA构成S-DNA 。这种用于操纵微观粒子的技术称为光学镊子 ,还可以准确控制施加到单个DNA分子上的拉伸力。
但是,在拉伸的DNA分子内出现的结构变化太小,无法用规范光学显微镜直接观察到。为了应对这一应战,Backer协助他的同事们将一种称为荧光偏振显微镜的成像方法与光学镊子仪相结合 。首先 ,他们向含有光学捕捉的DNA的溶液中参与了棒状的小荧光染料分子。在未拉伸的DNA中,染料分子将自身夹在相邻的碱基对之间 ,并垂直于双螺旋的中心轴陈列。假设拉伸力造成DNA碱基对倾斜 ,则染料也会倾斜。
接上去,研讨人员经常使用的荧光信号从所述染料,以确定能否在拉伸DNA碱基对倾斜 。荧光染料与来自激光束的光波相互作用时收回绿色荧光 ,该激光束指向与染料分子相反的轴。研讨人员经过各种角度旋转的激光束的偏振改动光波的方向 。然后,他们拉伸DNA ,观察绿色荧光信号在显微镜下出现 。经过这些测量和桑迪亚开发的计算剖析方法 ,研讨人员确定了染料以及相应的碱基对相关于DNA中心轴成54度角陈列 。
Backer说 :“该实验提供了迄今为止最直接的证据,支持了S-DNA包括倾斜碱基对的假说。”“为了取得对DNA的全新的基本了解,有必要将许多前沿技术结合起来 ,并未来自不同技术范围的迷信家聚集在一同 ,以成功一个共同的目的。”
迷信家之间普遍猜想,在人类细胞的日常活动中或许会构成相似于S-DNA的结构 ,但目前 ,S-DNA的生物学目的仍是未知的。S-DNA或许有助于修复受损或断裂的DNA ,有助于预防细胞死亡和癌症。Backer希望这种对控制DNA变形的物理原理的更明晰的了解将指点S-DNA在细胞中的作用的进一步研讨 。
Backer于2016年11月参与Sandia,成为Truman研讨员时 ,他无时机启动自己设计的独立研讨方案 。他在斯坦福大学研讨生院时期开发了一种偏振显微镜方法,并以为该技术具有潜力 。贝克说 :“在桑迪亚 ,我想尽或许地推行这项技术。这项任务带来了与生物学和纳米技术等范围潜在相关的结果 ,这一理想非同寻常。”
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