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無(wú)論是在病毒還是在細(xì)胞中，DNA皆以緊密壓縮的結(jié)構(gòu)存在。比如，在真核細(xì)胞中，DNA纏繞在組蛋白周圍形成核小體，并進(jìn)一步凝聚成大家熟知的染色體結(jié)構(gòu)。在哺乳動(dòng)物精子中，DNA凝聚成更致密的面包圈狀（toroid）結(jié)構(gòu)。了解DNA這些緊密排列的結(jié)構(gòu)，并分析它們形成的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，對(duì)認(rèn)識(shí)DNA復(fù)制甚至繁殖等生命過(guò)程皆有重要的意義。盡管對(duì)DNA凝聚的研究有近半個(gè)世紀(jì)的歷史，人們對(duì)其動(dòng)力學(xué)仍然知之甚少。
利用單分子操縱技術(shù)，研究人員可以在體外模擬單個(gè)DNA分子的凝聚。例如，中科院物理研究所李明研究員等在2006年用單分子磁鑷研究了多價(jià)陽(yáng)離子作用下DNA的凝聚動(dòng)力學(xué)，利用施加于DNA上的張力使其凝聚速率降低，在有限的時(shí)間分辨率下發(fā)現(xiàn)了DNA的非連續(xù)凝聚行為，并揭示了張力對(duì)DNA凝聚動(dòng)力學(xué)的影響[（J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 15040）]。
DNA是半柔性的高分子鏈，可以用彎曲彈性和扭轉(zhuǎn)彈性描述其力學(xué)性質(zhì)。哺乳動(dòng)物精子中的DNA凝聚成面包圈狀（toroid）的特殊結(jié)構(gòu)以及實(shí)驗(yàn)中所觀察到的非連續(xù)凝聚行為的物理根源是DNA的彎曲彈性。但DNA的扭轉(zhuǎn)彈性對(duì)DNA的凝聚有多大影響，還沒(méi)有明確說(shuō)法。
最近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）李偉副研究員與李明研究員、王鵬業(yè)研究員以及新加坡國(guó)立大學(xué)嚴(yán)潔教授合作，用單分子技術(shù)研究了DNA的扭轉(zhuǎn)對(duì)其凝聚動(dòng)力學(xué)的影響。他們用直徑約1微米的超順磁球?qū)⒁桓s3微米長(zhǎng)的DNA懸掛在磁場(chǎng)中，用磁鑷操縱單個(gè)DNA分子。當(dāng)DNA的兩條鏈的端點(diǎn)都被固定時(shí)（一端固定在顯微鏡蓋玻片上，另一端固定在超順磁球上），DNA的扭轉(zhuǎn)受到限制。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DNA在凝聚過(guò)程中其扭轉(zhuǎn)彈性勢(shì)能會(huì)不斷累積。當(dāng)扭轉(zhuǎn)彈性能積累到一定程度時(shí)，DNA在某一點(diǎn)達(dá)到凝聚與去凝聚之間的動(dòng)態(tài)平衡。理論上，DNA的凝聚動(dòng)力學(xué)由高價(jià)離子介導(dǎo)的DNA片段間的相互吸引和DNA兩端所受的張力共同決定，而扭轉(zhuǎn)彈性勢(shì)能可調(diào)控DNA的凝聚，使系統(tǒng)自動(dòng)到達(dá)凝聚平衡。
該工作首次明確了DNA的扭轉(zhuǎn)彈性對(duì)DNA凝聚的影響，加深了人們對(duì)體內(nèi)DNA凝聚的認(rèn)識(shí)。例如，在DNA凝聚體與哺乳動(dòng)物精子的核基質(zhì)的結(jié)合部位有較大量的拓?fù)洚悩?gòu)酶（一種釋放DNA超螺旋的酶）。這些酶在該結(jié)合部位起什么作用還不十分清楚。本工作似乎暗示它們可能與DNA的凝聚有關(guān)聯(lián)，用于釋放DNA的扭轉(zhuǎn)以便DNA充分凝聚。
相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Physical Review Letters上（Phy. Rev. Lett. 2012, 109 218102）。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部973項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院的資助。(
