利用单分子等实验方法研究聚乙二醇作用下的DNA构象转变

DNA compaction and decompaction are important processes in life science, polymer physics and medical application. Polyethylene glycol(PEG) can cause the coil-globule transition of DNA. Because of its non-antigenicity and non-toxicity, it has great potential and has been used in biomedical field. This project intends the research on this transition. We plan to : 1)reveal the transition at a single molecule level using magnetic tweezer and single molecule force spectroscopy in order to clarify its dynamics in real time; 2)characerize the morphology of PEG-induced DNA structures using atomic force microscope; 3) measure the size distribution and zeta potential of DNA under the influence of PEG by dynamic light scattering and zeta potential methods. We aim to clarify the DNA conformation and its internal structure in this system, the dynamics of the transition how the conformation changes under modulating factors. This reseach can provide experimental and model references for the understanding of the transition mechanism and the its medical uses in gene delivery.

DNA的凝聚与解聚在基础生命科学、高分子物理以及应用医学等领域有重要意义。聚乙二醇能够导致DNA发生从线团构象到凝聚球状等构象的转变。由于聚乙二醇的无毒，无抗原等特性，其在生物医学领域有广泛应用和潜在价值。本课题拟研究聚乙二醇作用下的DNA的构象转变。课题拟利用磁镊、单分子力谱方法对DNA的构象转变过程在单分子水平上进行定量的实时动态研究，利用原子力显微镜对DNA在聚乙二醇作用下形成的构象进行扫描成像，利用动态光散射以及zeta电位测量技术研究DNA的尺寸分布和电位大小受聚乙二醇的影响。课题致力于明确DNA该体系中的构象及内部结构信息，构象转变的动力学机制，以及各种构象怎样在调控因素下转化，为从物理本质上理解构象转变机制以及为聚乙二醇在基因传递上的医学应用提供实验和模型参考。

DNA凝聚是生命科学、高分子物理、医学应用等领域中的一个重要过程. 本课题主要致力于通过实验研究理解DNA凝聚的机制，并将研究重点放在聚乙二醇（PEG）造成的DNA构象转变机制上.PEG能够导致DNA 发生从线团构象到凝聚球状等构象的转变.由于PEG的无毒，无抗原等特性，其在生物医学领域有广泛应用和潜在价值.本课题利用磁镊等单分子实验方法对DNA的构象转变过程在单分子水平上进行了定量的测量，从而得到不同离子浓度、不同分子量条件下PEG对DNA造成的凝聚过程需要的凝聚力，以此推断内在的物理机制；作为辅助手段，课题利用了原子力显微镜对DNA 在聚乙二醇作用下形成的构象进行扫描成像，研究了PEG-DNA结构的尺寸和形貌受PEG分子量和盐浓度的影响.课题致力于明确DNA 在PEG体系中的构象及内部结构信息，构象转变的动力学机制，以及各种构象怎样受调控因素影响，为从物理本质上理解构象转变机制以及为聚乙二醇在基因传递上的医学应用提供实验和模型参考..通过本课题研究，我们发展了相应的磁镊实验技术和原子力显微镜样品处理技术，申请了相关的三项专利. 利用这些实验方法，我们对PEG造成的DNA构象转变取得了新的认识：1）在单价盐溶液环境中，PEG凝聚力与盐浓度呈近线相关趋势.盐浓度越大，PEG的凝聚力也越大，对于分子量为6000的PEG,其凝聚力可高达5 pN；2）在二价盐溶液环境中，随着盐浓度的增加，DNA发生了重入凝聚现象，这是一个新的未见诸文献报导的实验现象.我们对DNA的串珠状形貌构象进行了实验研究，在该构象的形成条件和形成机制等问题上取得了新的研究结果：反应时间等动力学因素以及凝聚试剂的凝聚能力是串珠构象形成的关键因素. 我们还对不同链长表面活性剂造成的DNA凝聚进行了实验研究，取得了新的认识：表面活性剂碳链越长，对DNA凝聚的能力越高，诱导DNA凝聚的所需的活性剂浓度也更低。低浓度下，较长碳链活性剂(CTAB, TTAB,DTAB)浓度增加而减少，因此造成了团聚.最后，我们在已有的实验研究成果基础上，总结了对于DNA凝聚这一科学问题的认识，撰写了相关综述.