基因云馆新一代信息数据库

知识决定起点,智慧带来突破,欢迎使用新一代生物学、医学数据库。

云馆首页 > 资讯文章 > 信息资讯 > 文章详情

中美学者首次揭示三维DNA螺旋波动

来源/作者:genelibs   发表时间:2016-04-02 13:44:23  
分享到:   

编辑推荐:

  最近,以美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室为首的一个国际研究小组,首次捕获到了附着在金纳米粒子两端的双螺旋DNA片段的高分辨率三维图像。这些图像详细说明了DNA片段的灵活结构,它们表现的就像纳米级的跳绳。

 

最近,以美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室为首的一个国际研究小组,首次捕获到了附着在金纳米粒子两端的双螺旋DNA片段的高分辨率三维图像。这些图像详细说明了DNA片段的灵活结构,它们表现的就像纳米级的跳绳。

这种独特的成像能力,是由伯克利实验室的科学家开创,可以帮助科学家利用DNA片段作为某些分子装置的构建模块,这些分子装置所起的作用是:纳米级的药物传输系统、用于生物研究的标记、以及计算机内存和电子设备的组件。它也可能对重要的疾病相关蛋白进行成像——已有研究证明用其他成像技术很难对成像,以及影像用单链形成DNA的装配过程。

研究人员使用先进的电子显微镜技术,加上一个蛋白质染色过程和复杂的软件——可提供大约2纳米规模的结构细节,重建了螺旋状DNA链的三维形状——它们夹在多边形金纳米粒子之间。

本文通讯作者、伯克利实验室的华人科学家、西安交通大学腾飞特聘教授任罡(Gang "Gary" Ren)博士指出:“我们不知道,金纳米粒子之间的双链DNA是什么样子。直接在三维空间可视化一条双链DNA片段,这在世界上尚属首次。”这项研究结果发表在3月30日版的《Nature Communications》。西安交通大学也是这项研究的共同合作单位。

任罡博士自1990年开始师从我国著名的理论物理学家段一士教授于兰州大学物理系攻读硕士学位,自1993年师从我国著名的高分辨电子显微学创始人、准晶体的独立发现人之一的郭可信院士于北京科技大学材料物理系攻读博士学位。1997年任罡博士赴美,在美国加州圣地亚哥Scripps研究所细胞生物学系的Alok Mitra研究小组从事AQP1水通道膜蛋白的电子晶体学博士后研究。2006年任罡博士在美国加州大学旧金山分校成立了自己的独立研究小组,主攻人体脂蛋白结构的冷冻电子显微镜研究,研究成果多次发表在Scientific Reports、PNAS、Nature Chemical Biology、PLOS ONE、Journal of Biological Chemistry、Protein Science等国际学术期刊。

该研究团队开发的方法——被称为单粒子电子断层成像技术(IPET),早些时候曾捕获到一个蛋白质的三维结构,该蛋白在人类胆固醇代谢中发挥着关键作用。通过从不同角度捕获同一物体的二维图像,该技术允许研究人员拼装出这一物体的三维图像。该小组还利用该技术,揭开了另一个知名蛋白(人体免疫球蛋白1,在我们的免疫系统发挥作用)的波动。

在这一最新的DNA纳米结构研究中,任罡博士使用了一种被称为低温电子显微镜(cryo-EM)的电子束研究技术,来检测冷冻的DNA-纳米金样本,并使用IPET重建了样本的三维图像,研究人员用重金属盐对样品进行了染色。研究小组还利用分子模拟工具,来测试样本中自然的形状变化,称为“构象”,并将这些模拟形状与观察结果进行对比。

任罡博士解释说,样本的自然弹性动态,就像一个男人挥舞着双臂,我们无法使用任何方法(使用许多观测结果的平均值)对其进行充分详述。

要查看复杂生物样本的纳米结构细节,一种流行的方法是,让它们形成成晶体,并用x射线杀死它们,但这并不能保持它们的自然形状,并且,这项研究中的DNA-纳米级样品,对于结晶来说是非常具有挑战性的。其他常见研究技术,可能需要数千个几乎相同的物体集合,用电子显微镜查看,以编译成一个平均的三维结构。但是,这种三维图像,可能不会充分显示一个给定物体的自然形状波动。

在最新实验中的样品,是由单个多边形金纳米结构形成的,直径大约5纳米,用84个碱基对连接到单股DNA片段上。碱基对是基本的化学构建块,让DNA有了它的结构。每个单独的DNA片段和金纳米颗粒,与一个搭档自然压缩在一起,在两端与金纳米粒子形成双链的DNA片段。

样本被瞬间冷冻,以保存它们的结构用于低温电子显微镜成像研究,在每个样本中,两个金纳米颗粒之间的距离,根据DNA片段中观察到的不同形状,大小在20 到 30纳米之间不等。伯克利国家实验室的研究人员使用一种低温电子显微镜用于此项研究。他们收集了染色对象的一系列倾斜图像,并使用IPET技术重建了14副电子密度图,它们可详细说明样本的结构。他们为样本收集了十几种形状,并发现DNA构象变化与瞬间冷冻低温电子显微镜样品中测量到的构象变化一致。这些形状也与使用其他电子成像、x射线散射方法以及计算机模拟所研究的样本一致。

虽然三维重建显示了样本的基本纳米结构,但是任罡博士说,下一步他们将努力将分辨率提高到亚纳米级别。他说:“即使在当前这个现状,我们也开始在1到2纳米分辨率上看到了三维结构。通过更好的仪器和改善计算算法,我们有望将分辨率提高到,可视化一个蛋白质内的一条DNA螺旋。”

他说,这项技术已经引起了一些知名制药公司和纳米技术研究人员的兴趣,在未来的研究中,研究人员可以尝试提高成像分辨率,用于复杂结构,把更多的DNA片段合并为一种“DNA折纸”。研究人员希望使用DNA片段,建立、并更好地描述纳米分子设备,例如,存储药物并将其释放在体内的靶向区域。

任罡博士表示:“DNA是容易设计、合成和复制的,所以它可以作为一种特殊的材料,快速自组装成纳米结构,并指导分子级设备的操作。我们目前的研究,只是对这些分子设备结构进行成像的一个概念验证。”

 

推荐原文摘要:

Three-dimensional structural dynamics and fluctuations of DNA-nanogold conjugates by individual-particle electron tomography
Abstract:DNA base pairing has been used for many years to direct the arrangement of inorganic nanocrystals into small groupings and arrays with tailored optical and electrical properties. The control of DNA-mediated assembly depends crucially on a better understanding of three-dimensional structure of DNA-nanocrystal-hybridized building blocks. Existing techniques do not allow for structural determination of these flexible and heterogeneous samples. Here we report cryo-electron microscopy and negative-staining electron tomography approaches to image, and three-dimensionally reconstruct a single DNA-nanogold conjugate, an 84-bp double-stranded DNA with two 5-nm nanogold particles for potential substrates in plasmon-coupling experiments. By individual-particle electron tomography reconstruction, we obtain 14 density maps at ~2-nm resolution. Using these maps as constraints, we derive 14 conformations of dsDNA by molecular dynamics simulations. The conformational variation is consistent with that from liquid solution, suggesting that individual-particle electron tomography could be an expected approach to study DNA-assembling and flexible protein structure and dynamics.

联系方式

山东省济南市 高新区 崇华路359号 三庆世纪财富中心C1115室

电话: 0531-88819269

E-mail: product@genelibs.com

微信公众号

关注微信订阅号,实时查看信息,关注医学生物学动态。