两篇Science文章介绍单分子动力学研究的新工具

　　

单分子技术是研究复杂动力学的强大工具，但通常每次只能分析几个样本。若要全面了解生物过程，往往需要研究大量的序列。如今，两组研究人员将单分子荧光显微镜与新一代测序技术相结合，能够对数千个样本中数百万个分子的动力学进行观察。

Severins等人开发出一种名为SPARXS的方法，并利用它来分析同源重组中一种关键的DNA结构，揭示了序列依赖性动力学。Rivera等人则利用一种名为MUSCLE的方法来研究Cas9与目标DNA之间的相互作用。

这两项研究成果于8月22日发表在《Science》杂志上。

SPARXS技术

SPARXS技术是由荷兰代尔夫特理工大学和莱顿大学的研究人员开发的，能够同时研究数百万个DNA分子。

代尔夫特理工大学教授Chirlmin Joo表示：“传统技术每次只能测定一条序列，通常每条序列需要数小时的测量时间。有了SPARXS，我们可以在一周内测定数百万个分子。如果没有SPARXS，这样的工作可能需要几年到几十年。”

莱顿大学John van Noort教授解释说：“DNA、RNA和蛋白质是调节细胞内所有过程的关键因素。若要了解这些分子的（错误）功能，就必须揭示序列如何影响其三维结构。然而，单分子测定既费力又缓慢，而且序列变异的数量还很大。”

为了开发新的SPARXS技术，研究人员将两种现有的技术相结合：单分子荧光技术和新一代Illumina测序技术。在前一种技术中，分子被荧光染料标记，并通过灵敏的显微镜进行观察。后一种技术则能同时读取数百万条DNA序列。

“我们花了一年的时间来确定这两种技术的结合是否可行，又花了四年的时间来开发具体方法，还花了两年的时间来确保检测的准确性和一致性，同时管理所产生的大量数据，”Joo谈道。

研究人员利用SPARXS技术研究了同源重组中关键中间体（Holliday junction）的序列依赖性动力学。通过研究数百万个Holliday junction的动力学，他们证明了SPARXS技术在发现序列模式、评估序列基序和构建热力学模型上的能力。

处理大量数据是他们需要克服的一大挑战。“我们必须开发一个强大的自动化分析流程。这尤其具有挑战性，因为单个分子很脆弱，只能产生极少量的光，这使得数据本身充满噪音，” Van Noort谈道。

“此外，即使是相对简单的DNA结构，所得到的数据也不能直接帮助我们了解序列如何影响DNA的结构和动力学。为了真正检验我们的理解，我们建立了一个模型，其中融入了我们对DNA结构的了解，并将其与实验数据进行了比较。”

对DNA序列的深入了解和精准操作有望带来医学治疗的进步，比如更有效的基因疗法和个性化医疗。“我们预计，在未来五到十年内，遗传研究、药物开发和生物技术方面的应用将开始出现，” Joo谈道。

MUSCLE技术

乌普萨拉大学领导的研究团队开发出MUSCLE技术，这是一种将单分子荧光显微镜与新一代测序相结合的方法，能够实现复杂动力学的多重观察。

研究人员分析了DNA发夹结构的序列依赖性，以及Cas9诱导的目标DNA解旋和重旋动力学。他们表示，探索Cas9序列空间的能力让他们鉴定出许多有着意想不到行为的目标序列。这种技术有望帮助他们探索许多基本生物过程的分子机制。