测量DNA分子中的力

出版时间:星期五,9月9日,2016—05:17 在里面物理化学

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这是DNA分子中碱基对堆叠力的图示。
Christoph Hohmann和Hendrik Dietz/Nano倡议慕尼黑/TUM
测量系统是按层次设计的,涉及到显微光束,一个或多个平行运行的双螺旋结构位于其顶端。这些已经被修改,使得每端携带一个碱基对。其中两个显微光束与柔性聚合物相连。
Christoph Hohmann和Hendrik Dietz/Nano倡议慕尼黑/TUM

DNA,我们的遗传物质,通常具有扭绳梯结构。专家称这种结构为双螺旋。除此之外,它是稳定的堆叠力之间的基地对。徳赢手机版慕尼黑工业大学(TUM)的科学家首次成功地在单碱基对水平上测量了这些力。这一新知识有助于用DNA构建精确的分子机器。60多年前,研究人员克里克和沃森鉴定了脱氧核糖核酸的结构,通常被称为DNA。他们把双螺旋线比作已经扭曲成螺旋线的绳梯。阶梯由鸟嘌呤/胞嘧啶和胸腺嘧啶/腺嘌呤碱基对组成。但是什么使DNA链保持在螺旋结构中呢?

分子相互作用专用测量系统

教授实验生物物理学主席亨德里克·迪茨使用DNA作为构建材料来创建分子结构。因此,他对更好地理解这一材料非常感兴趣。“有两种类型的相互作用来稳定双螺旋”,他解释说。一方面,DNA含有氢键。

另一方面,有一些专家称之为碱基对叠加力,它作用于沿螺旋轴堆叠的基极对之间。氢键的作用力,另一方面,垂直于轴线。到目前为止,目前还不清楚这两种力量在多大程度上都有助于DNA双螺旋的整体稳定性。迪茨解释说。

直接测量碱基对间弱叠加力是研究人员面临的一大技术挑战。他在这个问题上工作了六年。与TUM分子生物物理学主席(教授Matthias Rief)和TUM理论生物物理学-生物分子动力学主席(教授马丁·扎卡利亚)他们成功地开发了一种特殊的实验装置,现在可以测量单个分子之间极弱的接触相互作用。

一块巧克力的万亿分之一

简单地说,测量系统是按层次设计的,涉及到显微光束,一个或多个平行运行的双螺旋结构位于其顶端。这些已经被修改,使得每端携带一个碱基对。其中两个显微光束与柔性聚合物相连。在另一边,光束被耦合到微小的球体上,这些球体可以用光学激光镊子将其拉开。在解决方案中,其中一根梁端部的基极对现在可以与另一根梁端部的基极对相互作用。这也可以测量它们之间的堆积键在再次断裂之前的持续时间,以及作用于基极对之间的力。

研究人员测得的力在微微的范围内。“牛顿是一块巧克力的重量”,迪茨解释说。“我们这里有十亿分之一,在两个皮康顿范围内的力足以分离叠加力产生的键。

此外,科学家们徳赢手机版还观察到,这些键在几毫秒内自发地断裂并再次形成。相互作用的强度和寿命在很大程度上取决于碱基对相互叠加的程度。

创造DNA机器

测量结果可能有助于更好地了解诸如DNA复制等基本生物过程的机械方面,即遗传物质的繁殖。例如,堆叠相互作用的短寿命可能意味着在这个过程中分离碱基对的酶只需要等待堆叠键自行断裂,而不必用力将它们分离。

然而,Dietz还打算将这些数据直接应用到他目前的研究中:他使用DNA作为可编程的建筑材料来建造纳米级的机器。这样做时,他从复杂的结构中获得灵感,例如在细胞中发现,除此之外,作为分子“工厂”合成ATP等重要化合物,储存能量。“我们现在知道,如果我们能够构建足够复杂的结构,会有什么可能”,迪茨说。“当然,当我们更好地了解分子相互作用的性质时,我们能更好地处理这些分子。”

此刻,实验室正在用DNA制造分子旋转马达,通过叠加力将其联锁并连接在一起的部件。目标是能够通过化学或热刺激控制定向旋转。这样做,转子在定子中的运动时间至关重要,随着对叠加力的新发现,这项任务变得更加容易了。

来源:慕尼黑工业大学

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