DNA雜交動力學的有效調控新方法

　　生物大分子之間的靜電相互作用一般認為是短程的。由于在生理條件的高離子強度（百毫摩爾級）下，大分子表面存在雙電層屏蔽，使靜電相互作用的傳導距離局限在1-2 nm內。然后，如何調控雙電層厚度來對生物大分子相互作用中的長程靜電力開展研究是一個挑戰性問題。近年來，一些研究表面，DNA雙鏈的磷酸骨架可以作為高效的電荷傳導線路，為研究高離子強度下的長程靜電作用提供了新的思路。

　　受此啟發，上海交通大學樊春海院士團隊的劉小果副教授指導渠志倍博士等設計了基于DNA框架結構的長程靜電作用調控體系，構建了DNA雜交動力學的有效調控新方法。通過定量化實驗和多尺度的分子動力學模擬，證明了在DNA雜交的動力學過程中存在長程靜電力并起到了主導作用。該機制還被拓展到了DNA-蛋白質、DNA-多糖等多種復合物體系中，證明了其普適性。

　　作者將帶不同表面電荷的蛋白質顆粒或金納米粒子通過共價偶聯的方式包裹入DNA四面體框架結構中。通過定量毛細管電泳和ζ-電位測量，輔以全原子分子動力學模擬，證明了該方法可以成功實現對四面體框架結構凈電荷的精確調控。進一步研究了凈電荷大小對四面體框架核酸上外延DNA單鏈的雜交動力學過程的影響，發現該體系可以實現對該鏈與互補鏈雜交反應速率的有效調控。該調控機制是通過四面體框架核酸凈電荷的斥力，影響外延DNA單鏈的伸展長度，從而產生差異化的互補鏈進攻位阻，進而影響反應動力學過程。

　　他們還設計了基于cy3-cy5標記的熒光能量共振轉移（FRET）體系，用于定量追蹤四面體框架上外延DNA單鏈和互補鏈的雜交動力學反應過程。該長程靜電力主導的雜交動力學調控機制在體相溶液反應和單分子尺度測量下都得到了驗證。并且，在上述兩個體系中，攜帶不同凈電荷四面體框架核酸的雜交反應速率呈現相同的規律——均為負電荷加快雜交反應速率而正電荷抑制雜交反應速率。

　　在該工作中，渠志倍、劉小果等發現了長程靜電作用力在超越短程反應界面范圍下的動力學調控機制，有助于加深對生物大分子復合物中長程作用力的理解，也對基因調控、核酸探針設計和DNA反應網絡的構建有潛在指導意義。