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显微镜,宏现镜与整体的物理观 (3) --- 在地愿为连理枝的DNA
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想起DNA, 人们大抵想到的是双螺旋结构, 然而DNA还有不为人所知的神奇之处: 它是表面带负电的长链大分子, 如果依据负负相斥的静电原理, 两条同时带负电的DNA长链应该相互排斥才是. 然而 基因相同的两条DNA长链(称作Homolog)却像热恋中的情侣一般, 紧紧相依.
Mara Prentiss的Homolog pairing 实验
哈佛大学的Mara Prentiss 小组作了一系列有趣的实验. 采用跟目前RNA芯片(MicroArray)相同的技术, 在微芯片上种植大量一定长度, 相同碱基对序列的双链DNA, 然后加入含有大量相同碱基对序列的自由DNA. 跟普通MicroArray技术不同的是, 自由DNA的一端不再采用荧光蛋白 (因为荧光蛋白有强烈的分解DNA的作用), 而是由极小的微粒(Nano bead)来标定.
跟通行的 MicroArray技术一样, 将芯片与溶液相混合, 一定时间以后清洗芯片, 放到显微镜下面对微粒计数. 因为如果两条DNA长链相互排斥的话, 芯片清洗后微粒标定的DNA都被排除, 通过显微镜你将看不到任何微粒. 然而让 Prentiss小组惊讶的是, 芯片中看到了大量的微粒, 说明两条带负电的DNA长链不但没有排斥, 反而相互绑定在一起.
为了排除绑定不是由于DNA长链两端开裂, 从而碱基对交换结合的可能, Prentiss小组在相同碱基序列的两端各自连上200对不同碱基, 他们仍然观察到了该现象. 更让人不可思议的是, 即使采用长度较固定DNA为短的片段, 他们仍然能够很好跟同序DNA相绑定.
是什么原因是同序DNA相互吸引, 而不是相互排斥呢?
Kornyshev的DNA Homolog 配对理论
认为DNA应该相互排斥的观点忽略了一个重要的事实: 那就是DNA所出的生理环境并不是真空, 而是含有大量离子的生理盐水. 同时, DNA分子表面所带的负电荷并不是均均分不的, 而是分布在平行上升的两条螺旋线上的. 根据这个观察, 英国帝国理工的Kornyshev提出了相同基因DNA吸引的配对理论.
如果不写出配位势函数和相应的微分方程的话, 在这里可以给出一个更为直观的解释. 简而言之, 分布在平行上升的两条螺旋线上的负电荷与溶液中的正离子相互作用, 吸引正离子附着在两条螺旋线之间的凹处. 如果两条DNA的基因序列相同, 沿螺旋线上升的正负电荷将强烈相关: 你正处我负, 你负处我正, 这样就形成了相互吸引的关联力(correlation force). 如图中所示, 正是由于DNA的结构, 与基因的正负电荷相关, 使得两条原本带负电荷的DNA长链相互吸引. 这真是生物物理中最为漂亮的理论之一. 更多的细节可以参见相关的文献.
有趣的是, Kornyshev的这一理论是发表在PRL上. 而由于 Kornyshev DNA配对理论的轰动效应, 后来在Nature 和 Science上都分别报道了这一工作.
生物物理和凝聚态物理
生物物理和凝聚态物理一样, 他们所解释的现象并不违反底层的物理定律(如量子力学), 但是并不能为箭头向下的底层的物理定律所解释, 而是个体相互作用以后在系统层面出现的新特性. 使DNA homolog 相互吸引的关联力(correlation force), 并不是什么新的作用力, 只不过是 DNA homolog 相互作用在Homolog pair 之间形成的吸引力罢了.
其实, 百分之八十左右的生物物理研究者都来自于凝聚态物理. 在某种意义上, 生物物理是凝聚态物理在生命现象中的延续。这次到ICTP(国际理论物理中心)开会, 我发现这里的生物物理沿袭Solid State Physics的称谓, 叫做Physics of Living State. 其实这也很有道理.
Reference:
1. A.A.Kornyshev and S.Leikin, Sequence recognition in pairing of DNA duplexes. Phys.Rev.Lett. 2001, 86, 3666.
2. AA Kornyshev, DJ Lee, S Leikin, A Wynveen, Structure and interactions of biological helices, REVIEWS OF MODERN PHYSICS Rev Mod Phys, 2007
3. Alexei A. Kornyshev and Aaron Wynveena, The homology recognition well as an innate property of DNA structure, PNAS March 24, 2009, vol. 106 no. 12 4683-4688
Kornyshev, A. (2001). Sequence Recognition in the Pairing of DNA Duplexes Physical Review Letters, 86 (16), 3666-3669 DOI: 10.1103/PhysRevLett.86.3666
https://m.sciencenet.cn/blog-3468-237249.html
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