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《化学科学》:日本团队用单分子动力学解析DNA杂交基本过程

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一项发表在《化学科学》(Chemical Science)上的研究成果显示,日本东京理工大学团队使用扫描隧道显微镜(STM)测量单分子电导率的变化来探索DNA“杂交”(由两条单链DNA形成双链DNA)。

该研究团队将单链脱氧核糖核酸(ssDNA)附着在由金制成的扫描隧道显微镜尖端,并通过一种称为“吸附”的过程,使用一层平坦的金膜将互补链粘附在其上。

然后,他们在涂覆的扫描隧道显微镜针尖和金表面之间施加偏置电压,并使针尖非常靠近表面而不接触。反过来,由于一种被称为“量子隧道”的过程,这又允许电流流过其间的空间。研究人员监测了DNA链相互作用时隧道电流的时间变化。

研究小组获得了形似梯形的电流轨迹。当金表面未用ssDNA修饰或用非互补链修饰时,梯形轨迹不会形成。

在此基础上,研究人员将这种轨迹归因于双链DNA (dsDNA)的形成,双链DNA是由扫描隧道显微镜尖端和表面的ssDNA杂交产生的。研究人员将电流的突然减少归因于热扰动引起的dsDNA的击穿或“去杂交(dehybridization)”。

该小组随后使用实验结果和分子动力学模拟研究了去杂交和杂交过程的动力学(反应的时间演变)。前者揭示了一个与DNA浓度无关的平台电导,证实了当前的测量反映了单分子电导,而后者表明形成了一个部分杂交的DNA中间体,仅靠电导无法检测到。

有趣的是,对于高浓度的DNA样品,杂交效率更高,这与以前用大体积ssDNA溶液进行的研究结果相矛盾,团队将这一观察归因于他们的研究中缺乏整体扩散。

研究人员表示“这些新的见解应该有助于提高许多基于DNA的诊断的性能......该方法可以扩展到研究各种单分子之间的分子间化学反应,从而能够从机理上理解化学反应,并从单分子的角度发现新的化学反应。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

论文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/SC/D0SC04449K#!divAbstract


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