在高浓度单价盐作用下单链DNA的电荷反转现象

《Macromolecules》：Charge Inversion of Single-Stranded DNA under High-Concentration Monovalent Salts

单链DNA在高盐浓度下发生电荷反转，从负电变为正电，实验证实其电泳迁移方向和分子力学特性改变，分子动力学模拟显示阳离子富集磷酸主链，反转净电荷并增强链内静电排斥。这一发现为纳米器件设计和生物分子调控提供新途径。

　　

单链DNA（ssDNA）在生物学中扮演着重要角色，并被广泛应用于纳米技术、生物传感器和药物输送领域，其功能在很大程度上取决于其物理性质。在这里，我们意外地发现，在高浓度单价盐的作用下，ssDNA会发生电荷反转，从负电荷状态转变为正电荷状态。这一现象在三种独立的实验中都得到了一致验证。纳米孔电泳和动态光散射实验表明，在高盐浓度下，ssDNA的电泳迁移方向发生逆转，从向阳极迁移变为向阴极迁移。单分子磁镊实验进一步显示，ssDNA在高盐条件下会异常伸长并变硬，这表现为其伸展长度和持久性的增加。互补分子动力学模拟结果显示，过量的阳离子会在磷酸骨架附近积聚，使得每个核苷酸的净电荷变为约+0.3e，同时链内静电排斥力增加了约0.2 kB/T。这些发现揭示了ssDNA在高压环境下的新电静力特性，为离子与核酸之间的相互作用提供了新的见解，并实现了对ssDNA行为的高盐环境下的可编程控制，这对纳米器件工程和生物分子调控具有重要意义。