近日，中国科学院重庆绿色智能技术研究院与武汉大学、长春理工大学、芬兰奥卢大学等合作，在《ACS Nano》期刊上发表了一篇题为“Directly Characterizing the Capture Radius of Tethered Double-stranded DNA by Single-Molecule Nanopipette Manipulation”的研究论文。该研究不仅被评选为当期封面论文，还标志着在单分子操控和分析领域取得了重大突破。
研究团队开发了一种基于纳米毛细管的单分子操控、识别及长度测量系统(SMILE)。这一系统使得科研人员能够精确操控、识别和测量单个分子的特性，特别是拴系态双链DNA分子的特性。拴系态分子是一种中间态，一端具有游离态自由扩散的部分属性，另一端则受到分子锚点的严格限制，近似于固定态。然而，其分子扩散、介电泳及分子伸展过程中的电动力学特性一直尚不清楚，这使得对这类分子的深入研究充满挑战。
SMILE系统的出现为这一问题的解决提供了强有力的工具。研究团队利用该系统成功对拴系态双链DNA分子进行了捕获与拉伸操控。实验结果显示，围绕拴系DNA锚点存在一个特征捕获半径(rcapture)和拉伸半径(rstretch)。在不同的捕获电压下，针对不同长度DNA的特征捕获半径的比例是一致的，并且这个比例与它们的回旋半径比例十分接近。而对于拉伸半径，其比例与轮廓长度(L0)的比例保持一致，拉伸比例(rstretch/L0)随着电压的增加(100 mV – 1000 mV)从70%增加到90%。
研究团队进一步通过数值模拟计算，确定了特征捕获和拉伸半径的起源。他们发现，特征捕获半径受到由熵弹性主导的捕获势垒的影响，而拉伸半径则受到电场主导的逃逸势垒的影响。这一发现不仅揭示了拴系态分子被纳米孔捕获的特征长度分布模式，也为理解拴系态分子的内在物理特性提供了实验和理论基础。
该研究成果不仅为生物物理学、基因测序等领域引入了创新的测量方法和研究视角，还为包括RNA、蛋白质等带电分子的分子诊断提供了新的可能性。通过SMILE系统，科研人员可以更加深入地了解这些分子在溶液中的运动模型和分子属性，为精准医疗和单分子诊断技术的发展提供有力支持。
这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及重庆市自然科学基金的支持，体现了我国在单分子科学领域的持续投入和创新能力。随着SMILE系统的不断完善和推广应用，相信未来会有更多关于拴系态分子和其他生物分子的深入研究，为生命科学和医学领域的发展注入新的活力。
参考来源： 重庆绿色智能技术研究院
