Phys. Rev. Lett. ：DNA双螺旋中的神秘力量

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　Phys. Rev. Lett. ：DNA双螺旋中的神秘力量 杜克大学Pratt工程学院的研究人员发现了科学家了解使DNA形成双螺旋所需的物理作用过程中丢失的关键一环。机械工程和材料学教授PiotrMarszalek解释说，DNA稳定性是了解生命过程中所有因子的基础。如果想要创造出精确的DNA模型来研究它与蛋白质或药物的相互作用。因此，我们需要对赖以稳定DNA的力量进行精确地测量。在一项发表在7月5日的PhysicalReviewLetters上的研究中，M

  生物谷：杜克大学Pratt工程学院的研究人员发现了科学家了解使DNA形成双螺旋所需的物理作用过程中丢失的关键一环。

  机械工程和材料学教授Piotr Marszalek解释说，DNA稳定性是了解生命过程中所有因子的基础。如果想要创造出精确的DNA模型来研究它与蛋白质或药物的相互作用。因此，我们需要对赖以稳定DNA的力量进行精确地测量。

  在一项发表在7月5日的Physical Review Letters上的研究中，Marszalek的研究组报道说，他们首次直接测量了相互传绕形成互补双链分子的DNA单链中的力量。这项研究由美国健康研究院和美国科学基金资助。

  每个DNA链包括一个糖分子和磷酸骨架，其上附着四个碱基中的一个。单个链内部相互作用的力量很大程度上来自碱基间的化学吸引。但是双链DNA的完整性则依赖沿着双螺旋的碱基间的堆积力和互补碱基之间配对的力量。

  碱基堆积力是碱基对之间在垂直方向上的相互作用，可以使DNA分子层层堆积，分子内部形成疏水核心，这对DNA结构的稳定是很有利的，碱基堆积力对维持DNA的二级结构起主要作用。

  早期的研究多集中在相对的碱基间的化学键，通过解开两链来测量它们之间的力量。对完整DNA的研究让研究人员很难将堆积力与碱基配对力量分开。

  为了解决这个问题，杜克大学的研究人员利用一种原子力显微镜(AFM)来捕获DNA链中碱基间的吸引力。DNA分子的糖和磷酸骨架中的化学键仍然保持完整，因此对力量测量的影响非常轻微。

  他们将一端固定在金属上的单链用力拉开并测量在拉的时候力量的变化。这种AFM技术能够精确测量单个分子中的力。

  他们通过测量两种类型的合成DNA链捕捉到了堆积力。这两条合成链其中一个是由胸腺嘧啶构成（已知胸腺嘧啶之间的吸引力是最弱的），而另外一个则是由腺嘌呤构成（已知腺嘌呤间的吸引力是最强的）。由于化学力的差异，这两种单链DNA展现出不同的结构。腺嘌呤单链以一种相当规则的形式卷成它们自己的螺旋，而胸腺嘧啶链则创新出一种更随机的形状。

  纯的腺嘌呤链在弹性形式上也比预测的要更加复杂。当他们逐渐加大拉伸腺嘌呤链的力量时，研究人员注意到了在23和113皮牛（pico-Newtons）的力量水平时的两个位置。这些峰值反映出双螺旋的断裂和展开。由于碱基间没有键可以断开，因此胸腺嘧啶链对拉伸的抵抗力很小，因此没有这种特殊点。

  DNA双链如螺旋般盘绕，构成了我们生命遗传物质DNA（脱氧核糖核酸）的完美结构。

  １９５３年４月２５日，年仅２５岁的沃森与同在剑桥大学的合作伙伴弗朗西斯·克里克一起，在英国《自然》杂志上发表了一篇仅两页的论文，提出了ＤＮＡ的结构和自我复制机制。这篇论文被普遍视作分子生物学时代的开端。

  英国科学家罗莎琳德·富兰克林和莫里斯·威尔金斯通过Ｘ射线衍射获得的ＤＮＡ晶体结构照片对这一发现起到了重要作用。沃森、克里克和威尔金斯共同获得１９６２年的诺贝尔生理学或医学奖。

原始出处:

Phys. Rev. Lett. 99, 018302 (2007)


Direct Measurements of Base Stacking Interactions in DNA by Single-Molecule Atomic-Force Spectroscopy
Changhong Ke,1 Michael Humeniuk,1 Hanna S-Gracz,2 and Piotr E. Marszalek1

1Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Center for Biologically Inspired Materials and Material Systems, Duke University, Durham, North Carolina, USA
2Department of Molecular and Structural Biochemistry, North Carolina State University, Raleigh, North Carolina, USA
(Received 22 January 2007; published 5 July 2007)

We investigate the elasticity of two types of single-stranded synthetic DNA homopolydeoxynucletides, poly(dA) and poly(dT), by AFM-based single-molecule force spectroscopy. We find that poly(dT) exhibits the expected entropic elasticity behavior, while poly(dA) unexpectedly displays two overstretching transitions in the force-extension relationship. We suggest that these transitions, which occur at ~23 pN and ~113 pN, directly capture, for the first time, the mechanical signature of base-stacking interactions among adenines in DNA, in the absence of base pairing.