解開DNA之結：美國麻省理工學院的化工學家們找到了解開 DNA 分子扭結的小竅門

生活常識告訴我們，一切足夠長且細的東西往往都有自我打結的「衝動」。DNA 作為自然界經典的多聚長鏈分子顯然也不例外。如今，藉助特別的 DNA 分子伸展技術以及對 DNA 扭結進行成像觀察，麻省理工學院（MIT）的研究者們首次發現了一種生物機制，能決定 DNA 扭結在核酸鏈上的移動或靜止狀態。

主要研究者、MIT 化工專業教授 Patrick Doyle 表示：「高分子物理學家們曾推測這些扭結可以固定住，卻並沒有足夠好的模型系統來驗證這一點。而這一次，我們證明了同一個 DNA 分子上的扭結可以從靜止轉變為移動狀態。一旦你改變環境，扭結就停下來；同理也可以讓靜止的扭結重新動起來。」

這一發現提供了解開 DNA 扭結的希望，不僅可以幫助研究者們提高某些基因測序技術的精確性，還能促進 DNA 扭結的形成，減慢 DNA 分子通過測序系統時的速度，從而提升測序技術的能力。

移動中的「繩結」

多年來 Doyle 與其學生一直致力於高分子扭結的物理學研究。而擁有較大分子量的 DNA 在顯微鏡下相對容易觀察，再加上其本來就很容易「打結」的特性，自然成了完美的研究對象之一。

「我們有一種辦法讓 DNA 縮成一個『小球』，之後將其拉伸開，便會形成許多大結，」Klotz 說道，「就像把耳機線塞進口袋裡再扯出來，上面保證打滿了結。」

「繩結」形成後，研究者們利用自行設計的特殊微流體系統對其展開研究。T 形的液體通在分叉兩端加上了不同方向的電場，因此處於交叉口的的 DNA 被均勻的力量拉向「T」形兩臂，使其停留在原地。

圖丨在 DNA 分子長鏈末端的扭結被拉向盡頭並解開

MIT 團隊發現，改變電場強度可以操作被電場「釘住」的 DNA 分子上的扭結：當電場較弱時，扭結會沿著核酸鏈向末段移動，最後被拉開。

「當拉力並不強時，這些扭結看似在隨機運動；但如果你觀察得足夠久，就會發現它們是在向分子近端處移動。」Klotz 說道。

而當電場更強時，DNA 被迫完全伸展開來，這些扭結便僵在原地。這一現象好比生活中打結的串珠項鏈，而當項鏈放鬆時，上面的結可以隨意移動；而當它被緊緊拉住時，結上的串珠擠在一起，鏈結只能動彈不得。

Klotz 向人們解釋：「當你拉緊 DNA 分子時，核苷酸鏈間的距離縮小，因此增大了摩擦力，其作用蓋過了電場對 DNA 長鏈的拉力。」

德克薩斯大學奧斯汀分校的化學系教授 Dmitrii Makarov 表示：「這是一項優雅的實驗論證，證明了 DNA 扭結就像日常中宏觀的繩結一樣能在張力下被固定。此實驗也為分子水平的摩擦力提供了重要啟發，因為我們至今仍對該現象缺乏足夠了解。」

「解結還需繫結人」

DNA 扭結同樣存在於活細胞中，而細胞也自帶特異性的拓撲酶專治這種打結。該 MIT 團隊由此提出了一種消除胞外 DNA 扭結的簡易方法，對 DNA 分子施加電場，直至扭結自行移至長鏈端頭被解開。

一種名為納米通道圖譜（nanochannel mapping）的 DNA 測序也許能從中受益。該測序技術需要將 DNA 沿著狹窄的管道伸展以測量兩段序列間的距離，可以顯示大規模的基因組改變，如基因拷貝重複、染色體間基因移位等等，然而 DNA 扭結影響了數據的準確性。

另一種 DNA 測序方法——納米孔測序（nanopore sequencing）則更偏愛 DNA 上的「繩結」，因為這可以減慢 DNA 通過測序儀時的速度，反而提高了測序信息的準確性。

當然，這一方法也能應用到其他類型高分子的「解結」中，比如塑料高分子，因為扭結會顯著降低材料強度。

現在研究團隊正在探究與扭結相關的其他現象，包括如何解開更加複雜的打結，以及同一分子中兩個結之間的相互作用等。也許等到研究對象足夠複雜時，我們就有希望去對付那些讓人崩潰的耳機線了。

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