利用标度理论研究DNA纳米结构在大分子拥挤和限制作用下的增长机理

Even as the simplest life form, cell is still very complicated. It contains biopolymers with the volume fraction up to 40%, which generates macromolecular crowding and confinement effects, regulating the reactions occurred inside the cell. The macromolecular crowding and confinement has an entropic origin. The other non-specific interactions, such as electrostatic interaction and hydrogen bonding, which are originated from enthalpy, may enhance or even counterbalance the macromolecular crowding and confinement. Therefore, quantitatively describing these two different interactions and reveal their mutual interactions gains insight in the mechanisms of the reactions inside the cell. In this project, we propose to choose DNA nanotubes and DNA gel to mimic the microtubule and network structure in the cell, respectively, and quantitatively investigate their growth under macromolecular crowding and confinement by scaling theory. The relative strength of crowding and confinement can be tuned by changing polymer concentration. The non-specific electrostatic interaction is introduced by mixing certain amount of charged components. This project combines polymer physics, DNA nanotechnology, and cell biology. It is of highly interdisciplinary.

即便是最简单的生命体单位，细胞也是非常复杂的体系。其中高达40% 体积分数的生物大分子所产生的以熵为主导的拥挤和限制作用对细胞内的反应起到了重要的调控作用；而静电、氢键等以焓为主导的非特性相互作用会增强甚至抵消大分子的拥挤和限制作用。因此，定量化描述这两种截然不同的相互作用，并剖析二者相互影响的机制对于揭示细胞内反应的机理具有重要的科学意义。在本项目中，我们拟选用DNA空心管和DNA凝胶来分别模拟生物体内的微管和网络结构，利用标度理论来定量化研究在大分子拥挤和限制作用下DNA纳米结构的增长规律。通过改变高分子溶液的浓度来调节拥挤作用和限制作用的强度，并达到区分二者的目的；通过在体系中掺入带电组分而引入非特异性相互作用，从而探讨静电相互作用对大分子拥挤和限制作用的影响规律，以期能够揭示生物体系内各种相互作用的本质。本项目结合了高分子物理、DNA纳米技术和细胞生物学，具有鲜明的跨学科特色。

细胞内背景生物大分子的浓度高达40%，所产生的以熵为主导的拥挤和限制作用和以焓为主导的非特异性相互作用对细胞内的反应和结构都起到了重要的调控作用。定量化描述这两种截然不同的相互作用，并剖析二者相互影响的机制对于揭示细胞内生命活动的机制具有重要的科学意义。在本项目中，我们以DNA纳米管和DNA凝胶来分别模仿细胞内的微管和网络结构，利用标度理论定量地研究了目标分子在由高分子溶液形成的拥挤环境中的组装和增长行为。在惰性聚氧乙烯（PEO）和聚丙烯酰胺（PAM）的溶液中，目标体系和背景分子之间主要是大分子拥挤和限制作用，随高分子浓度增加，背景相互作用对DNA组装的影响可分为拥挤作用区间、两种作用并存区间和限制作用区间。标度关系显示只有在限制作用存在时，DNA才能组装成各项异性结构，凝胶体系也遵循该规律。在与DNA具有非特异性静电作用的透明质酸（HA）体系中，三个作用区间依然存在，而静电作用只是在前两个区间对DNA组装具有额外的调控作用。受DNA凝胶在背景分子影响下会出现各项异性所启发，我们把目标体系拓展到由液-液相分离生成的凝聚物微滴，以剖析无膜细胞器的形成机制。在惰性的PEO溶液中，背景高分子的存在削弱了聚电解质之间的有效静电相互作用，使成核方式由异相成核转变为均相成核，而扩散控制的增长过程和布朗运动合并（Brownian motion coalescence）过程由于高分子溶液黏度的增加和瞬态网络结构的形成，均受到不同程度的抑制。对于双液相微滴，惰性的背景高分子能够改变两相的界面能，使得双液相微滴发生相反转。而当背景分子通过非特异性作用参与相分离时，则能够诱发生成非常丰富的相态结构，两相的密度差也会增加，从而在重力作用下沿z轴方向出现分布的非均一性。我们的研究有助于理解细胞内结构的形成过程和生命活动的分子机制。