庄小威和尹鹏课题组强强联合:第一次捕捉到了DNA旋转运动

【字体: 时间:2019年07月19日 来源:

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  哈佛大学的庄小威和David B. Arnold教授以及庄教授实验室的博后学者Pallav Kosuri 和Benjamin Altheimer等人利用DNA折纸首次捕捉到了分子马达从一个DNA碱基对移动到另一个DNA碱基对的旋转步骤。

  

他们所取得的成就好比我们在地球上观看月球上的一场足球比赛。

该团队与哈佛医学院和Wyss研究所的尹鹏教授以及他的研究生Mingjie Dai合作,将DNA折纸与高精度单分子跟踪技术结合,从而创造了一种被称为“基于DNA折纸-水平旋翼的成像追踪(origami-rotor-based imaging and tracking,ORBIT)”的新技术,以观察运动中的分子机器。

 
ORBIT系统:荧光标记DNA折纸水平旋翼,记录和放大粘附于载玻片上的分子马达引发的DNA旋转

在我们体内,有一些分子马达直接穿过肌肉细胞,使肌肉收缩。另一些负责修复、复制或转录DNA:这些与DNA相互作用的马达抓住双链螺旋,然后从一个碱基爬向另一个碱基,就像走楼梯一样。

为了看到这些细微的运动,研究小组想到了利用扭转运动:首先,他们把与DNA相互作用的马达粘在一个刚性支架上,马达必须转动杠杆才能从一个碱基移动到另一个。因此,只要测量杠杆是如何旋转的,就能测量马达的移动。

但是,仍然有一个障碍:马达每次跨越1个碱基对,旋转使DNA移动1纳米,如此精度的距离测量即使最先进的光学显微镜也无法很好的观测。

于是研究人员想到了直升机的螺旋桨。如果他们能造出一架DNA螺旋桨,看到摆动的旋翼桨叶,就可以用摄像机捕捉到分子马达引发的DNA旋转(如上图)。

为了制造这种小螺旋桨,庄小威团队决定使用DNA折纸。

自从DNA折纸技术被建立以来,已经有报道展示过它们在创造艺术品、细胞药物呈递和研究免疫系统等方面的应用。简单来说,DNA折纸就是操纵DNA链,使其超越其传统的双螺旋结构,合成美丽而复杂的其他性状。

为了建造DNA折纸螺旋桨,研究小组向DNA折纸技术先驱,尹鹏教授求助。尹教授和他的研究生将大约200个DNA片段编织成了160纳米长的螺旋桨样结构。然后,他们将该螺旋桨接到一个典型的DNA双螺旋上,另一端与名为“RecBCD”的解压DNA的分子马达衔接。当马达开始工作时,它将旋转DNA,像螺旋桨助推器一样扭动螺旋桨旋翼。

“过去从来没有人看到过分子马达蛋白旋转DNA,因为它的移动速度非常非常快,”Kosuri说。

马达能在不到1秒的时间内穿过数百个碱基。有了折纸螺旋桨和每秒1000帧的高速摄像机,研究小组激动地记录下了分子马达的快速旋转运动。

“人体内有太多关键过程都涉及到蛋白质和DNA的相互作用,”Altheimer说。理解这些蛋白质是如何工作的(或不能工作的)可以回答许多有关人类健康和疾病的基本生物学问题。

接下来,研究小组开始探索其他类型的分子马达。例如,RNA聚合酶。研究小组根据之前的研究推测它可能以35度步幅旋转DNA。新技术直观地证明了猜想的正确性:“我们第一次看到了DNA转录过程中的单碱基对旋转,”Kosuri说。正如预测的那样,旋转步幅约为35度。

一张显微镜载玻片可以加载数以百万台自组装DNA螺旋桨,意味着研究小组可以使用一台显微镜和照相机同时研究数百甚至数千个分子马达,如此就可以比较各个马达的工作方式。

“没有两种酶是完全相同的,这里就像一个动物园,”Kosuri说。

一种马达蛋白可能会向前跳跃,另一种则会暂时向后爬,另一个可能在某个碱基上停留更长的时间。科学家们现在还不知道它们为什么会这样运动,有了新工具,答案很快就会揭晓。

ORBIT还可以激发以生物能源为动力(如ATP)的新型纳米技术。“这是一种混合纳米机器,既包括人工设计好的组件,也包括天然的生物马达,”Kosuri说。“总有一天,这种混合技术可以变成生物启发机器人的基本语言。”

原文检索:Rotation tracking of genome-processing enzymes using DNA origami rotors

(生物通:伍松)

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