Science Advances:具有可调特性的 DNA 材料

来源: 生物通 / 作者: 2021-05-31
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虽然 DNA 通常被理想化为 “生命分子”,但它也是一种可以用于下一代材料的高度复杂的聚合物。除了可以存储信息之外,DNA 更吸引人的是它的几何和拓扑特性,比如打结和超级盘绕。的确,DNA 很像一根扭曲的电话线,经常被发现盘绕在细菌和其他细胞中,甚至在病毒中打结。现在,来自爱丁堡大学、圣地亚哥大学和维也纳大学的科学家们已经开始利用这些特性制造 “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》(Science Advances) 杂志上。

众所周知的 DNA 的双螺旋形状对其行为有着深远的影响。一个线性 DNA 分子,也就是一个两端相连的 DNA 分子,可以自由地扭曲和旋转。相比之下,连接两端形成 DNA 环需要双螺旋的任何过度或不足的扭曲保持 “拓扑锁定”,也就是说,额外的扭曲不能在不切断分子的情况下被去除。过扭或过扭对 DNA 分子在空间中的排列方式有有趣的影响——特别是,它们卷曲并扣在自己身上,非常像一根旧的电话线,形成所谓的超级卷曲构象 (图 1)。DNA 的弯曲减轻了过度 / 过扭造成的压力,从而减少了分子的整体大小。因此,超盘绕被认为是细胞利用的一种自然机制,将它们的基因组打包到微小的空间中。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) 更快的扩散,但由于阻力较小,当许多 DNA 分子像碗里的意大利面一样堆积和纠缠时,这种广为人知的行为不会发生。

该研究的第一作者、维也纳大学的 Jan Smrek 解释说:“我们对具有不同程度超卷曲的 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。”“与稀释的情况相反,DNA 环越超级卷曲,它们的尺寸就越大。” 由于分子需要避免彼此,它们的形状采用强烈的不对称和分支构象,比非超级卷曲的同类占据更多的体积。有趣的是,与预期相反的是,“更大的 DNA 分子仍然产生更快的扩散。” 扩散速度越快,溶液粘度越低。

天然存在于细菌中的超卷曲 DNA 分子被称为质粒。在体内,细胞有一种叫做拓扑异构酶的特殊蛋白质,可以减少质粒中的超卷曲量。“多亏了这些蛋白质——可以纯化并在实验室中使用——我们能够控制纠缠 DNA 质粒的超卷曲程度,并使用荧光染料研究它们的动力学。我们惊奇地发现,实际上,用拓扑异构酶处理过的 DNA 质粒,因此具有低超卷曲,比它们的高超卷曲的同行要慢。”

为了解释这种惊人的快速动力学,科学家们在超级计算机上使用大规模模拟来量化溶液中分子的纠缠程度。虽然已知一种环状聚合物——类似于环状 DNA 质粒——可以被另一个环穿过,这意味着后者可以穿过前者的眼睛,但尚不清楚这种缠结如何影响超卷曲 DNA 的运动。通过模拟,科学家们发现,高度的超盘绕减少了每个分子的可穿透面积,从而导致质粒之间的线更少,最终产生粘度更低的溶液。尽管如此,这些质粒仍然可以在不穿线的情况下相互缠绕并约束彼此的运动。然而,超盘绕使构象变硬,从而使它们不易弯曲和紧密缠绕,这也减少了这种类型的纠缠。

来自爱丁堡大学的 Davide Michieletto 总结道:“我们不仅在模拟中发现了这些新效应,而且我们还通过实验证明了这些趋势,并发展了一个定量描述它们的理论。” 通过改变超级线圈,我们可以随意调整这些复杂流体的粘度。我们现在更好地理解了分子的自适应几何结构和由此产生的材料属性之间的联系。这不仅从基本角度来看是令人兴奋的,而且有望提供有用的应用程序。使用专用的酶,如拓扑异构酶,人们可以设计出具有可调属性的可切换 dna 软材料。”

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