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研究人员追踪单个DNA分子片段之间的相互作用

使用光学显微结构和金纳米粒子,马克斯普朗克研究所的研究人员已经放大了光与DNA的相互作用,以至于他们现在可以追踪单个DNA分子片段之间的相互作用。 /

能够跟踪个体生物分子并在工作中观察它们是每个生物化学家的梦想。这将使科学家能够详细研究并更好地理解生命纳米机器的运作,例如核糖体和DNA聚合酶。马克斯普朗克光科学研究所的研究人员向这个目标迈出了一大步。使用光学微结构和金纳米粒子,他们已经扩大了光与DNA的相互作用,现在他们可以追踪单个DNA分子片段之间的相互作用。在这样做的时候,他们已经接近了物理上可能的极限。他们用于单个未标记分子的光学生物传感器也可能成为生物芯片发展的突破:移动分析设备中的指甲大小迷你实验室可以同时测试多滴血液,或通过非常少的样品材料促进全面的环境分析。

我们对基本生命过程的理解首先是通过了解个体生物分子如何相互作用而成为可能。在细胞中,纳米机器(如核糖体和DNA聚合酶)将单个分子缝合在一起,形成复杂的生物结构,如蛋白质和DNA分子,即遗传信息库。尽管有可能研究单个分子与酶或核糖体的相互作用,但为了观察它们,通常必须标记分子,例如使用荧光标记。但是,这种标记只能用于某些分子,并且可能会干扰生物纳米机器的功能。虽然光可用于检测未标记的生物分子,但该方法不能用于检测单个DNA分子,因为光波与分子的相互作用太弱。

由马克斯普朗克光科学研究所纳米光子学和生物传感器实验室的Frank Vollmer领导的物理学家小组现在成功地扩大了光与DNA分子的相互作用,以至于他们的光子生物传感器可以用来观察单个未标记的分子及其相互作用。

一个微球成为一个光学耳语画廊

为了达到这个目的,物理学家使用直径约60微米的玻璃珠,约人类头发的厚度和金纳米线。直径12纳米,长度42纳米。因此,金丝只有头发厚度的十万分之一。微球和纳米线放大光和分子之间的相互作用。在棱镜的帮助下,研究人员将激光照射到微球体中。光在球体的内表面重复反射,直到最终沿着内表面传播,类似于声波沿着圆形外壳或耳语走廊的壁传播的方式:当有人在圆顶的一端低声说话时或拱形画廊,另一端的人可以在另一端听到它,即使是在非常远的距离。这是因为声波在行驶时不会失去强度。

如果一个分子固定在玻璃珠的表面,那么光束就会超过十万次。因为光波总是在微球外部延伸,所以它与分子之间发生相互作用。由于光和分子之间的频繁接触,这种相互作用被大大放大。然而,相互作用仍然太弱,无法记录单个分子。

Vollmer和他的同事因此将纳米线固定在玻璃珠表面。光辉呼啸而过产生等离子体:电子的集体振荡。 “等离子体将光波从玻璃微球中拉出一点,”Vollmer解释说。这将光波的场强放大了超过一千倍。信号增益足以检测单个生物分子,如DNA片段。埃朗根的研究人员正是这样做的。他们将单链DNA的片段连接到安装在微球上的纳米线上,该DNA片段始终以细胞核中的双链形式存在。当匹配即互补的DNA片段与纳米线上的“诱饵”结合时,光的波长发生偏移并被微球和纳米线放大。这种转变可以被测量。

不同的链段可以通过其结合行为来区分

然而,物理学家使用比通常类似程序更短的DNA片段。就像墙壁上的一小段胶带一样,短的DNA片段不会彼此强烈地粘着,因此这些股线再次相对快速地分离。因此,新的片段能够重复地结合分子“诱饵”,包括不完全互补的片段。通过这种方式,可以研究DNA片段相互作用多久以及“诱饵”捕获片段的频率。 “这种方法可以使用单个DNA受体,并遵循其与样品溶液中不同DNA片段的连续相互作用,”Frank Vollmer说。 “根据测量的相互作用的持续时间和频率,可以检测特定的未标记DNA分子。”

研究人员用含有完全匹配的DNA片段和不完全互补的片段的样品测试了他们的光学生物传感器。他们能够基于不同的动力学区分这两个片段。

即使在自然界,分子和纳米机器之间形成的键也是短暂的。 Frank Vollmer说,由于采用了新方法,现在可以更详细地探索这种自然动力学。 “需要更多的研究,”希望应对未来挑战的物理学家说。

埃朗根的研究人员已经在计划未来的项目。 “例如,可以观察DNA聚合酶等酶如何合成DNA,”Vollmer解释说。科学家们还希望将他们的光子生物探测器集成到光学微芯片中,用于临床诊断。

出版物:Martin D.Baske等,“无标记微腔生物传感器平台上监测的单分子核酸相互作用”,Nature Nanotechnology,2014; DOI:10.1038 / nnano.2014.180

Source:Max Planck Institute

图片:约瑟夫亚历山大/洛克菲勒大学; MPI为光的科学