最近，以美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室為首的一個國際研究小組，首次捕獲到了附著在金納米粒子兩端的雙螺旋DNA片段的高分辨率三維圖像。這些圖像詳細說明了DNA片段的靈活結(jié)構(gòu)，它們表現(xiàn)的就像納米級的跳繩。

這種獨特的成像能力，是由伯克利實驗室的科學(xué)家開創(chuàng)，可以幫助科學(xué)家利用DNA片段作為某些分子裝置的構(gòu)建模塊，這些分子裝置所起的作用是：納米級的藥物傳輸系統(tǒng)、用于生物研究的標(biāo)記、以及計算機內(nèi)存和電子設(shè)備的組件。它也可能對重要的疾病相關(guān)蛋白進行成像——已有研究證明用其他成像技術(shù)很難對成像，以及影像用單鏈形成DNA的裝配過程。

研究人員使用先進的電子顯微鏡技術(shù)，加上一個蛋白質(zhì)染色過程和復(fù)雜的軟件——可提供大約2納米規(guī)模的結(jié)構(gòu)細節(jié)，重建了螺旋狀DNA鏈的三維形狀——它們夾在多邊形金納米粒子之間。

本文通訊作者、伯克利實驗室的華人科學(xué)家、西安交通大學(xué)騰飛特聘教授任罡（Gang "Gary" Ren）博士指出：“我們不知道，金納米粒子之間的雙鏈DNA是什么樣子。直接在三維空間可視化一條雙鏈DNA片段，這在世界上尚屬首次。”這項研究結(jié)果發(fā)表在3月30日版的《Nature Communications》。西安交通大學(xué)也是這項研究的共同合作單位。

任罡博士自1990年開始師從我國著名的理論物理學(xué)家段一士教授于蘭州大學(xué)物理系攻讀碩士學(xué)位，自1993年師從我國著名的高分辨電子顯微學(xué)創(chuàng)始人、準(zhǔn)晶體的獨立發(fā)現(xiàn)人之一的郭可信院士于北京科技大學(xué)材料物理系攻讀博士學(xué)位。1997年任罡博士赴美，在美國加州圣地亞哥Scripps研究所細胞生物學(xué)系的Alok Mitra研究小組從事AQP1水通道膜蛋白的電子晶體學(xué)博士后研究。2006年任罡博士在美國加州大學(xué)舊金山分校成立了自己的獨立研究小組，主攻人體脂蛋白結(jié)構(gòu)的冷凍電子顯微鏡研究，研究成果多次發(fā)表在Scientific Reports、PNAS、Nature Chemical Biology、PLOS ONE、Journal of Biological Chemistry、Protein Science等國際學(xué)術(shù)期刊。相關(guān)閱讀：任罡：電子顯微鏡技術(shù)的新突破；任罡Nature子刊解析膽固醇如何“變壞”。

該研究團隊開發(fā)的方法——被稱為單粒子電子斷層成像技術(shù)(IPET)，早些時候曾捕獲到一個蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，該蛋白在人類膽固醇代謝中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過從不同角度捕獲同一物體的二維圖像，該技術(shù)允許研究人員拼裝出這一物體的三維圖像。該小組還利用該技術(shù)，揭開了另一個知名蛋白（人體免疫球蛋白1，在我們的免疫系統(tǒng)發(fā)揮作用）的波動。

在這一最新的DNA納米結(jié)構(gòu)研究中，任罡博士使用了一種被稱為低溫電子顯微鏡（cryo-EM）的電子束研究技術(shù)，來檢測冷凍的DNA-納米金樣本，并使用IPET重建了樣本的三維圖像，研究人員用重金屬鹽對樣品進行了染色。研究小組還利用分子模擬工具，來測試樣本中自然的形狀變化，稱為“構(gòu)象”，并將這些模擬形狀與觀察結(jié)果進行對比。

任罡博士解釋說，樣本的自然彈性動態(tài)，就像一個男人揮舞著雙臂，我們無法使用任何方法（使用許多觀測結(jié)果的平均值）對其進行充分詳述。

要查看復(fù)雜生物樣本的納米結(jié)構(gòu)細節(jié)，一種流行的方法是，讓它們形成成晶體，并用x射線殺死它們，但這并不能保持它們的自然形狀，并且，這項研究中的DNA-納米級樣品，對于結(jié)晶來說是非常具有挑戰(zhàn)性的。其他常見研究技術(shù)，可能需要數(shù)千個幾乎相同的物體集合,用電子顯微鏡查看，以編譯成一個平均的三維結(jié)構(gòu)。但是，這種三維圖像，可能不會充分顯示一個給定物體的自然形狀波動。

在最新實驗中的樣品，是由單個多邊形金納米結(jié)構(gòu)形成的，直徑大約5納米，用84個堿基對連接到單股DNA片段上。堿基對是基本的化學(xué)構(gòu)建塊，讓DNA有了它的結(jié)構(gòu)。每個單獨的DNA片段和金納米顆粒，與一個搭檔自然壓縮在一起，在兩端與金納米粒子形成雙鏈的DNA片段。

樣本被瞬間冷凍，以保存它們的結(jié)構(gòu)用于低溫電子顯微鏡成像研究，在每個樣本中，兩個金納米顆粒之間的距離，根據(jù)DNA片段中觀察到的不同形狀，大小在20 到 30納米之間不等。伯克利國家實驗室的研究人員使用一種低溫電子顯微鏡用于此項研究。他們收集了染色對象的一系列傾斜圖像，并使用IPET技術(shù)重建了14副電子密度圖，它們可詳細說明樣本的結(jié)構(gòu)。他們?yōu)闃颖臼占耸畮追N形狀，并發(fā)現(xiàn)DNA構(gòu)象變化與瞬間冷凍低溫電子顯微鏡樣品中測量到的構(gòu)象變化一致。這些形狀也與使用其他電子成像、x射線散射方法以及計算機模擬所研究的樣本一致。

雖然三維重建顯示了樣本的基本納米結(jié)構(gòu)，但是任罡博士說，下一步他們將努力將分辨率提高到亞納米級別。他說：“即使在當(dāng)前這個現(xiàn)狀，我們也開始在1到2納米分辨率上看到了三維結(jié)構(gòu)。通過更好的儀器和改善計算算法，我們有望將分辨率提高到，可視化一個蛋白質(zhì)內(nèi)的一條DNA螺旋。”

他說，這項技術(shù)已經(jīng)引起了一些知名制藥公司和納米技術(shù)研究人員的興趣，在未來的研究中，研究人員可以嘗試提高成像分辨率，用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，把更多的DNA片段合并為一種“DNA折紙”。研究人員希望使用DNA片段，建立、并更好地描述納米分子設(shè)備，例如，存儲藥物并將其釋放在體內(nèi)的靶向區(qū)域。

任罡博士表示：“DNA是容易設(shè)計、合成和復(fù)制的，所以它可以作為一種特殊的材料，快速自組裝成納米結(jié)構(gòu)，并指導(dǎo)分子級設(shè)備的操作。我們目前的研究，只是對這些分子設(shè)備結(jié)構(gòu)進行成像的一個概念驗證。”