Nature子刊：尖端成像技术揭示了DNA链是如何堆积的

　　

在一项新的研究中，印度科学研究所(IISc)生物化学系的研究人员使用了一种新的成像技术来精确定位相邻碱基(DNA的组成部分)在单链中相互堆叠的强度。这一发现为构建复杂的DNA纳米器件和揭示DNA结构的基本方面开辟了可能性。

在每个活细胞无缝运行的背后是DNA——遗传载体，它携带着细胞生长、功能和繁殖的信息。每条DNA链通常由四个核苷酸碱基组成——腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。一条链上的碱基与另一条链上的碱基配对，形成双链DNA (A对与T配对，G对与C配对)。

两种相互作用稳定了DNA的双螺旋结构。碱基配对——相反链上碱基之间的相互作用——已经广为人知，而碱基堆叠——同一链上碱基之间的相互作用——还没有得到很好的研究。想象一个拉链，基对就像拉链把两股拉在一起，而基叠就像拉链的牙齿，确保紧密和安全的连接。IISc生物化学系助理教授Mahipal Ganji说，碱基堆叠相互作用通常比碱基配对更强。他也是发表在《自然纳米技术》上的这篇论文的通讯作者。

为了研究所有16种可能的碱基堆叠组合，研究人员使用了DNA-PAINT(纳米尺度地形中的点积累)。DNA- paint是一种成像技术，它的工作原理是，两条人工设计的DNA链——每条链的末端都是不同的碱基——在室温下放在缓冲溶液中，会在很短的时间内随机地相互结合和分离。研究小组用荧光团标记了其中一条链(成像仪链)，荧光团在结合过程中会发光，并测试了这条链在另一条停靠链上的堆叠。在荧光显微镜下捕获不同链组合(基于端碱基)的结合和解结合的图像。

该研究的第一作者、生物化学系博士生Abhinav Banerjee解释说，如果堆叠的碱基之间的相互作用很强，那么链的结合和解除结合所需的时间就会增加。因此，利用从DNA-PAINT获得的数据，研究人员建立了一个模型，将结合和解除结合的时间与堆叠碱基之间相互作用的强度联系起来。

使用这种技术，该团队能够发现关于基础堆叠的有趣见解。例如，在DNA链上增加一个碱基堆叠相互作用似乎可以将其稳定性提高250倍。他们还发现，每个核苷酸对都有自己独特的堆叠强度。这些信息使研究小组能够设计出一种高效的三臂DNA纳米结构，这种结构有可能被构建成多面体形状的载体，用于生物医学应用，比如针对特定的疾病标记物和提供靶向治疗。

研究人员也在努力改进DNA-PAINT技术本身。Banerjee说，利用堆叠相互作用，他们计划设计新的探针，这将扩大DNA-PAINT的潜在应用。

此外，据科学家们说，这项研究有比成像和纳米技术更广泛的应用。Ganji希望这些发现可以用于研究单链和双链DNA的基本特性，进而可能揭示DNA修复机制，DNA修复机制的失败会导致包括癌症在内的许多疾病。

文章标题

Single-molecule analysis of DNA base-stacking energetics using patterned DNA nanostructures