溶液中犊牛胸腺DNA的剪切诱导超分子组装：基于SAXS与流变学结合的研究发现

《Macromolecular Symposia》：Shear-Induced Supramolecular Organization of Calf-Thymus DNA in Solution: Insights from SAXS Coupled with Rheology

DNA溶液的流变学特性及SAXS分析显示，高浓度（>7 mg/mL）下CT-DNA形成液晶相，流动诱导各向异性结构，放松后恢复各向同性，其相变受DNA浓度、剪切率和离子强度调控。

　　DNA作为一种重要的生物大分子，在溶液中的组织结构和动态行为对其生物学功能具有决定性作用。DNA双螺旋结构在特定条件下能够形成液态晶体相，这种相变不仅影响其物理性质，还对细胞内的多种过程如基因调控、复制和转录产生深远影响。本研究通过结合小角X射线散射（SAXS）与流变学测量，探讨了在不同浓度、剪切速率和离子强度条件下，牛胸腺DNA（CT-DNA）溶液在流动过程中的超分子组织结构变化，以及其在流动后恢复时的行为转变。

在静止状态下，CT-DNA溶液的SAXS图谱显示出一个与电荷相互作用相关的散射峰，该峰的强度随着外部盐的存在而减弱。这表明在高浓度下，DNA分子之间的相互作用变得更加显著，而盐的存在则会屏蔽这些电荷相互作用，从而影响其组织结构。随着DNA浓度的增加，DNA双螺旋结构之间的相互作用逐渐增强，导致其从简单的柔性链转变为具有更复杂结构的液态晶体相。这种相变不仅改变了DNA的物理性质，还影响了其在流动过程中的行为。

在流动过程中，CT-DNA溶液表现出明显的剪切诱导行为。例如，当剪切速率增加时，DNA分子开始在流场中排列，形成具有方向性的结构。这种排列现象可以通过偏振光显微镜观察到，显示出剪切诱导的双折射纹理。随着剪切速率的持续作用，DNA溶液从最初的无序状态逐渐过渡到有序的液态晶体相，这种相变在流变学测量中表现为剪切应力的平台期，即剪切应力不再随剪切速率继续增加而变化。这一平台期的出现意味着DNA分子在流场中形成了稳定的排列结构，这种结构在剪切停止后会逐渐恢复到无序状态。

在流动后的恢复过程中，CT-DNA溶液表现出从各向异性到各向同性的行为转变。这一转变过程可以通过SAXS图谱的变化来观察到。例如，在流动结束后，第一散射峰的强度会逐渐减弱，表明DNA分子之间的相互作用逐渐减弱，最终恢复到无序状态。这种行为变化不仅与剪切速率有关，还受到DNA浓度和离子强度的影响。当离子强度较高时，DNA分子之间的电荷相互作用被屏蔽，导致其在流动过程中形成的有序结构更加不稳定，恢复时间更短。

此外，CT-DNA溶液在不同浓度和离子强度条件下的行为变化也表现出一定的规律性。例如，在高浓度下，DNA分子之间的相互作用更为显著，导致其在流动过程中更容易形成有序的液态晶体相。而在低浓度下，DNA分子主要表现为柔性链的特性，其行为更接近于传统的高分子溶液。随着离子强度的增加，DNA分子之间的电荷相互作用被屏蔽，导致其在流动过程中形成的有序结构逐渐消失，最终恢复到无序状态。这种行为变化不仅影响了DNA溶液的物理性质，还对其在生物体内的功能产生了重要影响。

在本研究中，为了更全面地理解CT-DNA在流动过程中的行为，采用了多种实验方法。其中包括静态SAXS测量、流变学测量以及偏振光显微镜观察。静态SAXS测量用于研究CT-DNA在静止状态下的组织结构，而流变学测量则用于分析其在流动过程中的力学行为。偏振光显微镜观察则用于直观地展示剪切诱导的双折射纹理，帮助研究人员理解DNA分子在流动过程中的排列方式。

在SAXS测量中，研究人员通过分析散射图谱中的第一散射峰和第二散射峰的变化，来判断DNA分子在流动过程中的组织结构变化。第一散射峰主要反映了DNA分子之间的长程电荷相互作用，而第二散射峰则与DNA分子的结构特征有关。随着DNA浓度的增加，第一散射峰的强度逐渐增强，其位置也向更高的散射矢量方向移动，表明DNA分子之间的相互作用更加紧密。而当外部盐的存在屏蔽了这些电荷相互作用时，第一散射峰的强度会逐渐减弱，表明DNA分子之间的相互作用被抑制。

在流动过程中，CT-DNA溶液表现出不同的剪切行为。例如，在较低剪切速率下，DNA分子之间的相互作用较为微弱，其行为更接近于传统的高分子溶液。而在较高剪切速率下，DNA分子之间的相互作用变得更加显著，导致其形成有序的液态晶体相。这种相变不仅影响了DNA溶液的物理性质，还对其在生物体内的功能产生了重要影响。在流动结束后，CT-DNA溶液会逐渐恢复到无序状态，这一过程的时间长短受到剪切速率、DNA浓度和离子强度的影响。

为了进一步研究CT-DNA在流动过程中的行为，本研究还分析了其在不同浓度和离子强度条件下的散射图谱变化。例如，在高离子强度条件下，DNA分子之间的电荷相互作用被屏蔽，导致其在流动过程中形成的有序结构更加不稳定，恢复时间更短。而在低离子强度条件下，DNA分子之间的电荷相互作用更为显著，其在流动过程中形成的有序结构更加稳定，恢复时间更长。这种行为变化不仅影响了DNA溶液的物理性质，还对其在生物体内的功能产生了重要影响。

在实验过程中，研究人员采用了多种方法来确保测量的准确性。例如，在SAXS测量中，研究人员使用了高亮度的X射线光源，并通过同步流变学测量来获取DNA溶液在流动过程中的力学数据。在流变学测量中，研究人员使用了高精度的流变仪，并通过调整剪切速率和剪切时间来观察DNA溶液在流动过程中的行为变化。此外，研究人员还通过偏振光显微镜观察了DNA溶液在流动过程中的双折射纹理，帮助理解DNA分子在流动中的排列方式。

通过这些实验方法，研究人员能够全面地分析CT-DNA在流动过程中的行为变化。例如，在流动过程中，CT-DNA溶液表现出从无序到有序的相变，这种相变不仅影响了DNA分子之间的相互作用，还改变了其在溶液中的组织结构。在流动结束后，CT-DNA溶液会逐渐恢复到无序状态，这一过程的时间长短受到剪切速率、DNA浓度和离子强度的影响。此外，研究人员还发现，DNA溶液在不同浓度和离子强度条件下的行为变化表现出一定的规律性，这种规律性为理解DNA在生物体内的功能提供了重要的理论依据。

在本研究中，研究人员还探讨了CT-DNA在不同浓度和离子强度条件下的行为变化对生物过程的影响。例如，在高浓度下，DNA分子之间的相互作用更加显著，导致其在流动过程中形成有序的液态晶体相，这种相变可能影响基因调控、复制和转录等生物过程。而在低浓度下，DNA分子主要表现为柔性链的特性，其行为更接近于传统的高分子溶液，可能对细胞内的某些过程产生不同的影响。此外，当离子强度较高时，DNA分子之间的电荷相互作用被屏蔽，导致其在流动过程中形成的有序结构更加不稳定，恢复时间更短，这可能影响DNA在细胞内的功能。

综上所述，本研究通过结合SAXS与流变学测量，系统地分析了CT-DNA在不同浓度、剪切速率和离子强度条件下的行为变化。研究结果表明，CT-DNA在流动过程中能够形成有序的液态晶体相，这种相变不仅影响其物理性质，还对其在生物体内的功能产生重要影响。而在流动结束后，CT-DNA溶液会逐渐恢复到无序状态，这一过程的时间长短受到剪切速率、DNA浓度和离子强度的影响。这些发现为理解DNA在生物体内的功能提供了重要的理论依据，也为相关领域的研究提供了新的视角和方法。