尖端成像技术揭示DNA链如何堆叠

在一项新的研究中，印度科学研究所 (IISc) 生物化学系的研究人员使用一种新颖的成像技术来确定相邻碱基(DNA 的组成部分)在单链中彼此堆叠的强度。这些发现为构建复杂的 DNA 纳米器件和揭示 DNA 结构的基本方面开辟了可能性。

每个活细胞无缝运行的背后都有 DNA——携带其生长、功能和繁殖信息的遗传载体。每条DNA链通常由四个核苷酸碱基组成——腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。一条链上的碱基与相反链上的碱基配对形成双链 DNA(A 与 T 配对，G 与 C 配对)。

两种类型的相互作用稳定 DNA 的双螺旋结构。碱基配对(相对链上的碱基之间的相互作用)已广为人知，而碱基堆积(同一链上的碱基之间的相互作用)尚未得到很好的研究。想象一下这样的拉链，其中碱基配对就像将两股线固定在一起的拉链，而碱基堆叠就像拉链的齿，确保紧密且安全的连接。IISc 生物化学系助理教授、 《自然·纳米技术》杂志上发表的论文的通讯作者 Mahipal Ganji 表示，碱基堆积相互作用通常比碱基配对更强。

为了研究所有 16 种可能的碱基堆积组合，研究人员使用了 DNA-PAINT(纳米尺度拓扑中的点累积)。DNA-PAINT 是一种成像技术，其工作原理是两条人工设计的 DNA 链(每条末端都有不同的碱基)当在室温下放在缓冲溶液中时，会在很短的时间内随机地相互结合和解除结合。研究小组用荧光团标记了其中一条链(成像链)，该荧光团在结合过程中会发光，并测试了该链在另一条对接链顶部的堆叠情况。不同链组合(基于末端碱基)的结合和解结合在荧光显微镜下被捕获为图像。

第一作者、生物化学系博士生 Abhinav Banerjee 解释说，如果堆叠碱基之间的相互作用很强，则链的结合和解除结合所需的时间会增加。因此，利用从 DNA-PAINT 获得的数据，研究人员建立了一个模型，将结合和解除结合的时间与堆叠碱基之间的相互作用强度联系起来。

使用这种技术，团队能够发现有关基础堆叠的有趣见解。例如，在 DNA 链上再添加一种碱基堆积相互作用似乎就能将其稳定性提高多达 250 倍。他们还发现每个核苷酸对都有其独特的堆积强度。这些信息使团队能够设计出高效的三臂 DNA 纳米结构，该结构有可能被内置到用于生物医学应用的多面体形状的车辆中，例如针对特定的疾病标记物和提供靶向治疗。

研究人员还致力于改进 DNA-PAINT 本身的技术。Banerjee 表示，他们计划利用堆叠相互作用设计新颖的探针，从而扩大 DNA-PAINT 的潜在应用。

此外，科学家们表示，这项研究除了成像和纳米技术之外还有更广泛的应用。赶集希望这些发现可以用来研究单链和双链 DNA 的基本特性，进而揭示 DNA 修复机制，而 DNA 修复机制的失败会导致包括癌症在内的许多疾病。

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