论文标题：Single-Molecule Methods for Characterizing Different DNA Higher-Order Structures

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.10.009

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中国科学院宋杰教授团队在中国工程院院刊《Engineering》发表了一篇题为“Single-Molecule Methods for Characterizing Different DNA Higher-Order Structures”的综述论文。该论文聚焦于单分子分析方法在表征不同 DNA 高阶结构方面的应用，为深入了解 DNA 的物理和化学性质提供了重要参考。论文第一作者为刘泳麟，通讯作者为裴羽丰、宋杰。

在生物和化学研究领域，传统生化群体分子实验虽被广泛应用，但因其忽略分子个体差异，仅能提供平均值。为全面探究分子性质和机制，单分子分析方法应运而生。这种方法包含单分子检测和操纵技术，可用于分析单个生物大分子的动力学和热力学信息，揭示生化或生物物理反应的精确动力学。

DNA 作为生命遗传信息的载体，其结构复杂多样，包括一级、二级、三级和高阶结构。不同结构具有独特的化学和物理性质，对其性质的检测有助于理解 DNA 的生物或化学功能。

图1. DNA的一级结构和不同的高阶结构。DNA的一级结构是指ssDNA。基于链间和链内的相互作用，DNA还可以形成复杂的空间结构和拓扑结构，即二级结构和三级结构。高阶结构是指DNA人工纳米结构。B-DNA：B型DNA。

论文详细介绍了多种单分子技术。在单分子操纵技术方面，原子力显微镜-单分子力谱（AFM-SMFS）可操控单个分子并测量分子内相互作用力；磁镊利用磁场梯度操控磁珠来控制目标分子，可研究 DNA 弹性和拓扑结构；光镊则基于光学梯度力原理，能精确对生物大分子施加力。在单分子检测技术方面，AFM 成像可实现原子水平分辨率，用于观察样品表面轮廓；单分子荧光技术通过检测荧光团发光，可表征高阶 DNA 结构的不同构象状态；纳米孔技术能区分单核苷碱基差异；SM-SR 显微镜可突破传统荧光显微镜的衍射限制，实现高分辨率成像。

这些单分子技术在表征不同 DNA 结构方面发挥了重要作用。例如，通过单分子分析方法发现，ssDNA 的驻留长度受多种因素影响，其弹性与碱基堆叠相互作用和糖褶皱构象转变有关；dsDNA 的弹性、解链力和剪切力等性质可通过相关模型进行描述和研究；对于霍利迪连接体、DNA G4、i-motif 和三重体等特殊结构，单分子技术也能够揭示其构象转变和力学稳定性等特性。

此外，论文还指出，将单分子分析方法与 DNA 纳米技术相结合，可进一步拓展研究领域，如利用 DNA 折纸纳米笼和框架研究 DNA 和蛋白质的稳定性及构象变化，通过单分子力谱和 FRET 研究 DNA 纳米结构的组装和重构。

尽管单分子分析方法在 DNA 结构研究中取得了显著进展，但仍面临一些挑战，如在体内研究的应用受限、部分技术难以高通量应用等。未来，随着技术的不断发展，有望出现更高效、高精度和高通量的单分子表征方法，为深入研究 DNA 结构和功能提供更有力的支持。

引用信息：Yonglin Liu, Tianyuan Bian, Yan Liu, Zhimin Li, Yufeng Pei, Jie Song. Single-Molecule Methods for Characterizing Different DNA Higher-Order Structures. Engineering, 2023, 24(5): 277–292

开放获取论文：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.10.009

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