德开发出通用DNA结构单位检测器

2011-4-01 09:33 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网近日报道,德国美因茨马普高分子研究所的研究人员,以构成DNA(脱氧核糖核酸)基本结构单位的寡核苷酸适配子为基础,开发出了一种可以有效检测抗生素、毒品和爆炸物等不同物质的方法。该研究发表在美国化学协会期刊上。

  这种方法的关键是利用原子力显微镜。原子力显微镜是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。

  马普高分子研究所的研究人员重点研究了构成DNA基本结构单位的寡核苷酸适配子。如果某种物质可与寡核苷酸适配子相结合,通过研究两者断裂开时的力的变化,不仅可以在物质浓度极低的条件下进行测量,同时也可以精确地研究该物质,包括这物质是如何与寡核苷酸适配子相结合,以及两者之间的结合力到底有多大等等。

  寡核苷酸适配子是检测包括遗传物质DNA和RNA(核糖核酸)在内的各种化学物质的理想手段,就像诱饵可以捕捉到鱼一样。组成DNA的四种不同的碱基具有无限可能的序列,这样就可获得多种多样的结果。更为特殊的是,DNA的不同碱基有不同的物理结构。这样,寡核苷酸适配子可以形成特定的囊状结构来适应相应的分子。包括抗生素、可卡因、TNT以及蛋白质在内的大多数分子均可以找到相应的寡核苷酸适配子囊状结构。

  马普高分子研究所的研究人员试图寻找一种可以分裂为两个部分的寡核苷酸适配子,并且目标分子可在囊状结构的两部分之间形成桥梁。这样的寡核苷酸适配子可以筛选出来。

  在通用型检测器的首次试验中,研究人员将磷酸腺苷(AMP)作为目标分子,而囊状寡核苷酸适配子可以容纳两个磷酸腺苷分子。然后,他们将囊状寡核苷酸适配子的一部分附着在原子力显微镜探针的尖端,另一部分则置于载物台上。降低探针的尖端,使两部分发生接触,囊状寡核苷酸适配子内的两个碱基之间形成氢键。提高探针的尖端,结合在一起的囊状寡核苷酸适配子的两部分能像弹簧一样发生伸缩。此时,可以测量两者之间所产生的力。随着拉力的不断加大,两者最终会发生断裂。

  随后,研究人员又进行了第二个实验。在囊状寡核苷酸适配子的两部分发生断裂之前,加入二磷酸腺苷分子溶液。这样两个磷酸腺苷被置于空的囊状寡核苷酸适配子中,囊状寡核苷酸适配子的两部分再次形成氢键。由于磷酸腺苷分子增强了两部分的结合力,因此要想使两部分发生断裂,必须使用更大的力,这样就可通过力的差异测出磷酸腺苷分子。

  为了确定断裂力的大小,研究人员反复测量了1000次,确定AMP寡核苷酸适配子平均约为39皮牛(piconewtons),比没有AMP分子时约高12皮牛。作为对照,他们使用不同的囊状适配子,并确定了不同适配子分裂成两部分所需要的力的大小。

  研究人员表示,新方法不仅适用于检测特定的分子,也可研究单个分子。比如可以确定当适配子不发生断裂时力的大小,进而发现分子适配子氢键的变化;也可以改变目标分子的形成方式,使之形成两个或三个氢键桥,这对于理解目标分子及核酸适配子十分重要。适配子的结合性质具有广泛的应用潜力,比如DNA片段现已广泛应用于环境分析和医疗诊断,作为分子工具和基本结构其应用范围还具有广阔的发展前景。