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生物物理 点亮基于DNA的纳米结构

2019-03-24 21:31:44来源:

术语“DNA折纸”是指用纳米精度设计和自组装复杂分子结构的方法。该技术利用已知序列的单链DNA分子之间的碱基配对相互作用来产生具有任意大量的预定形状的复杂三维纳米结构。该方法在基础生物学和生物物理学研究中具有广泛应用的巨大潜力。因此研究人员已经在使用DNA折纸来开发功能性纳米机器。在这种情况下,表征装配过程质量的能力至关重要。

现在,由慕尼黑大学实验物理学教授,马克斯普朗克生物化学研究所(Martinsried)分子成像和生物技术实验室负责人Ralf Jungmann领导的团队报告了这方面的重要进展。在他的在线期刊“ 自然通讯”中,他和他的同事描述了一种超分辨率显微镜模式,可以使这些纳米结构中的所有链都可以单独显示。这使他们得出结论,装配在广泛的条件下以稳健的方式进行,但是给定链有效结合的概率取决于其目标序列在生长结构中的精确位置。

DNA折纸结构基本上通过允许一个长的单链DNA分子('支架'链)以受控的,预定义的方式与一组较短的“短纤维”链相互作用来组装。后者与支架链的特定(“互补”)区段结合,逐渐将其折叠成所需形式。“在我们的例子中,DNA链自组装成扁平的矩形结构,这是目前许多基于DNA折纸的研究的基本构件,”新论文的联合第一作者Maximilian Strauss说道, FlorianSchüder和Daniel Haas。借助称为DNA-PAINT的超分辨率技术,研究人员能够以前所未有的空间分辨率对纳米结构进行可视化,允许它们对纳米结构中的每条链进行成像。“所以我们现在可以直接看到折纸结构的所有组件,并确定它与自身结合的程度,”施特劳斯说。

顾名思义,DNA-PAINT技术本身也利用了DNA-DNA相互作用的特异性。在这里,与与互补序列配对的染料分子连接的短'成像'链用于鉴定可接近结合的位点。成像链与其目标位点瞬时但重复地相互作用,这导致“闪烁”信号。“通过比较各个荧光图像中的信息,我们能够获得更高的分辨率,这样我们就可以详细检查整个结构,”施特劳斯说。“这种现象可以理解如下。假设我们正在看一个有两个照明窗户的房子。从一定距离看,看起来好像光源来自一个光源。但是,

使用DNA-PAINT方法获得的结果表明,几种物理参数的变化 - 例如结构形成的总体速度 - 对组装过程的整体质量几乎没有影响。然而,尽管通过使用额外的短链可以提高其效率,但并非在所有形成的纳米颗粒中都发现了所有链,即并非所有可用位点都在所有最终结构中被占据。“因此,当组装纳米机器时,建议大量过量添加单个组分,并根据我们的结合效率映射选择修改位置,”施特劳斯说。

因此,DNA-PAINT方法提供了优化DNA纳米结构构建的手段。此外,作者认为该技术在定量结构生物学领域具有巨大潜力,因为它将允许研究人员直接测量重要参数,如抗体,细胞蛋白和核酸的标记效率。