介电环境及PH值对DNA构象变化影响的单分子研究

To study the influence of environment on DNA conformation changes plays fundamental role on understanding the basic process of life phenomenon (such as DNA replication, compression and packing, etc.) and developing of gene therapy vectors technology. DNA condensation will occur when the surface charges are neutralized mostly by counterions. This kind of like-charge attraction can't interpret using Poisson - Boltzmann equation which based on mean field theory. Existing research results show that this process is linked to ion correction effect, dielectric environment, and PH value et al, but the specific condensation kinetics mechanism is not clearly.This topic use single molecular technology as the main means to study the influence of solvent dielectric environment and PH value on DNA configuration changes, in order to further understand the physical mechanism of DNA condensation and decondensation in solution.We use the single molecular magnetic tweezers, atomic force microscopy and dynamic light scattering technology to study the influence of solvent dielectric environment and PH value on DNA conformational change.According to different types of DNA and compensating agent, we measured single molecule spectrum and morphological changes in the process of DNA condensation and decondensation by changing the solvent dielectric constant (alcohol, aminocarboxylicacid,etc.) and PH value. Meanwhile we analyzed the relaxation dynamics properties of DNA、 condensation force 、 DNA extension and persisitence length.According to the experimental data and the electrostatic interaction theory in solution, we analyze the mechanism and law in the conformation changes of DNA such as condensation and decondensation.

研究环境对DNA构象变化的影响对于理解生命现象的基本过程（如DNA复制，压缩和包装等）和开发基因治疗载体技术有基础性的作用。DNA在表面电荷大部分被平衡离子中和后就会发生凝聚，这种同性电荷的吸引现象无法用基于平均场理论的泊松-玻尔兹曼方程解释，通常认为与离子关联效应、介电环境，PH值等因素有关，但具体的凝聚机制还尚未完全理解。本课题以单分子技术为主要手段研究溶剂介电环境及PH值对DNA构型变化的影响，以进一步搞清DNA凝聚与解凝聚的物理机制。实验中利用单分子磁镊，原子力显微镜和动态光散射技术针对不同种类DNA及凝聚剂，通过改变溶剂介电常数（加入酒精、氨基羧酸等）及PH值测量DNA凝聚及解凝聚过程中的单分子力谱和形态变化；同时对DNA的弛豫动力学性质、凝聚力及DNA长度和持久长度变化等进行分析。根据实验数据，结合溶液中静电作用理论，分析它们在DNA凝聚与解凝聚构象变化中的作用机制与规律。

研究不同溶剂条件下，DNA凝聚物的性质及堆积方式能对认识DNA凝聚的动力学特性提供帮助，而且有助于获得理想的非病毒载体，促进基因治疗的发展。生物单分子操纵技术为研究这些因素对DNA凝聚构象的影响提供了新的方法。DNA凝聚这种同性电荷的吸引现象无法用基于平均场理论的泊松-玻尔兹曼方程解释，通常认为与离子关联效应、介电环境，PH值等因素有关，但具体的凝聚机制还尚未完全理解。本课题以单分子技术为主要手段研究溶剂介电环境及PH值对DNA构型变化的影响，以进一步搞清DNA凝聚与解凝聚的物理机制。实验中利用单分子磁镊，原子力显微镜和动态光散射技术针对不同种类DNA及凝聚剂，通过改变溶剂介电常数（加入酒精、氨基羧酸等）及PH值测量DNA凝聚及解凝聚过程中的单分子力谱和形态变化及DNA电泳迁移率情况。此课题的研究成果主要以文章和专利的形式展现，以第一或者通讯作者发表一区文章1篇，二区文章2篇，三区文章1篇，核心期刊4篇，实用新型专利4项。主要内容包括：1）用单分子电泳及动态光散射技术研究不同价态离子混合对DNA的电荷逆转的影响，发现一价和二价离子与精胺混合对DNA的电荷逆转有抑制作用，而三价以上离子与精胺混合对DNA 的电荷逆转有促进作用。2）用原子力与磁镊研究限制性内切酶与DNA的相互作用,实验发现，内切酶BspMI与DNA的作用形式除了单个蛋白结合DNA上面两个位点形成环状结构，还可以看见另外一种由于内切酶聚集而产生的环状结构。3）用单分子电泳及磁镊研究不同价态离子对DNA的电荷逆转及凝聚力的影响，同时改变溶液的介电常数发现DNA的电荷逆转点及凝聚力都会发生改变。而且在三价离子没有发生电荷逆转的情况加入乙醇后，可以观察DNA电荷逆转的发生；而在四价离子已经发生电荷逆转的情况下加入两性离子后，发现电荷逆转现象会取消。最后根据实验数据，结合溶液中静电作用理论，分析它们在DNA凝聚与解凝聚构象变化中的作用机制与规律。.