引言：生命即运动
科学家常将生命描述为一系列化学反应。但Pallav Kosuri博士将生命描述为运动。化学反应驱动原子、蛋白质、细胞和身体的运动——没有运动，就没有生命。“如果你不知道某物如何运动，你就不知道它做什么，”Kosuri说。“如果你想理解、操纵和改变分子的功能，理解它们的物理运动与理解它们的化学反应同样重要。区别在于：我们拥有化学反应的全面目录，而力学方面仍是‘狂野西部’。”
Kosuri在索尔克研究所的实验室正着手改变这一现状。在发表在《Cell Reports Methods》上的一项新研究中，他们介绍了ORBIT，一种利用DNA折纸构建荧光纳米结构以可视化分子运动的方法。这种创新方法克服了长期存在的技术限制，使研究人员能够以碱基对分辨率追踪单个RNA聚合酶分子在读取DNA时的旋转，持续数小时——这是以前不可能实现的壮举。
测量分子运动的挑战
荧光显微镜是一种强大的技术，但其观察时间受限于荧光标记的光漂白。随着时间的推移，这些标记不可避免地变暗，将测量限制在几秒钟内。这使得长时间研究分子运动变得困难或不可能，特别是像转录这样持续数分钟到数小时的过程。
为了解决这个问题，Kosuri和他的团队开发了ORBIT的“染料循环”策略。该技术不断补充荧光标记，将测量窗口从几秒延长到几小时。通过这样做，他们现在可以以前所未有的精度实时观察分子动力学。
ORBIT的工作原理
ORBIT利用DNA折纸，一种使用DNA构建模块创建定制、自组装纳米结构的方法。这些纳米结构可以设计为附着在特定蛋白质上并放大其运动。在这种情况下，研究人员构建了一个转子状结构，带有附着在RNA聚合酶上的螺旋茎、一个X形手柄和一个荧光染料探针。当聚合酶沿DNA移动时，转子放大运动，使其在显微镜下可检测。
关键创新在于染料循环机制。ORBIT不是依赖单个会褪色的荧光标记，而是持续引入新鲜染料分子，使信号长时间保持明亮。这使得团队能够追踪RNA聚合酶在转录基因时逐碱基对的旋转。
对理解基因转录的意义
基因转录是RNA聚合酶读取DNA并产生RNA的基本过程。虽然转录的化学步骤已被充分理解，但其力学方面——聚合酶如何移动、旋转并与DNA相互作用——在很大程度上仍未探索。ORBIT为这些动力学提供了一个窗口，提供了可能导致新治疗策略的见解。
例如，理解转录机制如何移动可以帮助研究人员设计针对该过程特定步骤的药物，可能治疗由转录失调引起的疾病。此外，实时观察分子运动的能力可以应用于其他蛋白质-DNA相互作用，为分子生物学开辟新途径。
更广泛的应用和未来方向
除了转录，ORBIT的染料循环策略可以适应研究广泛的分子相互作用。团队设想在药物递送、芯片实验室设备和基础生物学发现中的应用。通过提供可视化分子运动的工具，ORBIT可能有助于弥合生命化学与力学理解之间的差距。
Kosuri的实验室已经在计划扩展ORBIT的能力。他们的目标是提高该技术的分辨率和灵敏度，并将其应用于其他分子马达和酶。最终目标是创建分子运动的综合图谱，类似于已经存在的化学反应目录。
结论
ORBIT的开发标志着分子生物物理学领域的重大进步。通过实现长时间、高分辨率的分子运动追踪，它为观察生命的力学基础提供了新视角。正如Kosuri所说，理解运动是理解功能的关键。有了ORBIT，研究人员现在有能力探索分子力学的“狂野西部”，可能解锁生物学和医学的新见解。
本文基于Phys.org的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org