新的成像方法揭示了DNA的纳米尺度细节

研究人员开发了一种新的增强DNA成像技术，可以在纳米尺度上探测单个DNA链的结构。由于DNA是许多疾病过程的根源，这项技术可以帮助科学家深入了解当DNA受损或其他细胞过程影响基因表达时，问题出在哪里。

这种新的成像方法建立在一种称为单分子显微镜的技术基础上，通过添加附着在DNA链上的荧光染料的方向和运动信息。

W. E. Moerner，美国斯坦福大学，单分子光谱学的创始人，这是1989年的一种突破性方法，使科学家第一次用光学显微镜观察单分子。在2014年光学显微镜超越衍射极限的诺贝尔奖获得者(Moerner, Hell & Betzig)中，Moerner和Betzig使用单个分子在不同时间对密集的分子阵列成像。

在光学学会的高影响研究杂志Optica上，由Moerner领导的研究小组描述了他们的新技术，并通过获得超分辨率图像和对附着在DNA链上的数千个单个荧光染料分子的定向测量来证明它。

莫尔纳说:“你可以把这些新的测量方法看作是提供了一个双头箭头，它显示了沿着DNA链附着的分子的方向。”“这种取向信息报告了DNA碱基的局部结构，因为它们限制了分子。如果我们没有这个方向信息，图像就只是一个点。”

添加更多纳米级信息

DNA链很长，但很窄，只有几纳米宽。单分子显微镜，加上与DNA相连的荧光染料，可以用来更好地观察这条微小的线。到目前为止，人们很难理解这些染料是如何定向的，也不可能知道荧光染料是以刚性还是松散的方式附着在DNA上的。

这篇论文的第一作者Adam S. Backer开发了一种相当简单的方法，可以并行地从数千个单分子中获得取向和旋转动力学。Backer说:“我们的新成像技术检查了每个标记DNA的染料分子是如何相对于DNA的更大结构排列的。”“我们还测量了每个分子的摆动程度，这可以告诉我们这个分子是否被困在一个特定的排列中，或者它是否在我们的测量序列中到处乱转。”

这项新技术比今天所谓的“集合”方法提供了更详细的信息，它平均了一组分子的方向，而且比共聚焦显微镜技术要快得多，一次只能分析一个分子。这种新方法甚至可以用于相对较暗的分子。

因为这项技术提供了关于DNA本身的纳米级信息，它可以用于监测DNA构象的变化或DNA特定区域的损伤，这将表现为染料分子取向的变化。它还可以用来监测DNA和蛋白质之间的相互作用，这种相互作用驱动了许多细胞过程。

3万个单分子方向

研究人员测试了增强的DNA成像技术，用它来分析插层染料;这是一种荧光染料，可以滑入DNA碱基之间的区域。在一个典型的成像实验中，他们可以在13分钟内获得多达30万个单分子位置和3万个单分子方向测量值。分析表明，单个染料分子的方向垂直于DNA链的轴，当分子倾向于在这个垂直方向上定向时，它们也在一个受约束的锥形内移动。

接下来，研究人员使用一种不同类型的荧光染料进行了类似的分析，这种染料由两部分组成:一部分附着在DNA的一侧，另一部分通过软绳连接。增强的DNA成像技术检测到了这种软性，表明这种方法可以帮助科学家在分子的基础上了解不同的标签是否以移动或固定的方式附着在DNA上。

在论文中，研究人员展示了约25纳米的空间分辨率和约5度精度的单分子取向测量。他们还测量了单分子的旋转动力学或软性，精度约为20度。

它是如何工作的

为了获得单分子方向信息，研究人员使用了一种经过充分研究的技术，在单分子显微镜上添加了一种称为电光调制器的光学元件。对于每个相机帧，该设备改变了用于照亮所有荧光染料的激光的偏振。

由于荧光染料分子的方向与激光偏振最接近，因此测量每个相机帧中每个分子的亮度，使研究人员能够在分子的基础上量化方向和旋转动力学。在连续帧中在明亮和黑暗之间切换的分子被严格限制在特定的方向上，而那些在连续帧中出现明亮的分子则没有严格地保持它们的方向。

Backer说:“如果有人有单分子显微镜，他们可以通过添加电光调制器很容易地实现我们的技术。”“我们以一种略有不同的方式使用了相当标准的工具，并以一种新的方式分析数据，以获得额外的生物学和物理学见解。”