第一作者：Kaikai Chen
通訊作者：Nicholas A. W. Bell
通訊單位：劍橋大學
研究背景
在生物體中普遍存在著長鏈狀聚合物分子，例如DNA 和 RNA 是由許多連續的核苷酸連接在一起形成的聚合物。當在細胞內或細胞之間運輸時，這些生物聚合物必須通過“納米孔”——納米通道，其直徑一般在１納米到幾十納米之間，比人類頭發的寬度小1萬倍。這種聚合物通過在納米孔道內傳輸的過程同時也奠定了新型納米孔傳感器的基礎，納米孔可被用于DNA測序和單分子檢測等應用。
成果簡介
劍橋大學卡文迪許實驗室的Ulrich F. Keyser課題組與馬薩諸塞大學的Muthukumar課題組利用測試具有DNA納米結構的DNA的輸運過程和粗粒度模擬揭示了在電場作用下的DNA在納米孔道中的輸運過程，這一研究發表在《自然物理學》（https://www.nature.com/articles/s41567-021-01268-2）。該團隊利用構建DNA折紙 (DNA orgami，類似于樂高積木的技術)的方法，制造了帶有凸起機構的雙鏈DNA分子。讓這些 DNA 分子在電場的作用下通過納米孔并分析通過納米孔道的電流，該團隊非常精確地確定了DNA 在傳輸時的速度如何變化。實驗結果揭示了輸運過程可以看作兩個階段，其中在第一個階段 DNA 速度減慢，然后在接近傳輸的末段時DNA加速。粗粒度模擬驗證了這個兩階段過程。此研究揭示了該過程的基本物理特性是由 DNA 與周圍流體之間不斷變化的摩擦力決定的。
這種組裝類似樂高積木的方法構建的DNA分子就像一個納米尺度的尺子，非常精確的測量了聚合物穿過只有幾納米大小的小孔的過程，為理解這一過程提供了新的認識。實驗和模擬的結合揭示了這一過程中分子受力和輸運的基本物理過程，并將有助于提升基于納米孔的生物傳感器的檢測精度。這些結果將有助于提高納米孔傳感器在 DNA測序、目標 DNA 和 RNA 檢測以及 DNA 數據存儲應用中的準確性。一個應用是精確定位 DNA 上的特定序列（https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c07947）來檢測DNA。同時，基于納米孔傳感器的RNA檢測有望用于疾病診斷，例如早期癌癥檢測等。另一個潛在的應用是 DNA 數據存儲。提高檢測納米孔的分子的準確率能夠更準確的讀出存儲在DNA序列和DNA結構中的數字信息（https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b04715）。
參考文獻
Chen, K., Jou, I., Ermann, N. et al. Dynamics of driven polymer transport through a nanopore. Nat. Phys. (2021).
https://doi.org/10.1038/s41567-021-01268-2
