生物分子的拴系态是单分子物理、单分子测序等研究重点关注的对象。拴系态分子作为一种中间态，一端具有游离态自由扩散的部分属性，另一端则受到分子锚点的严格限制，近似于固定态。然而，其分子扩散、介电泳以及分子伸展过程中涉及的电动力学至今尚不清楚。研究拴系态对于揭示该类分子在溶液中的运动模型及分子属性具有重要的科学意义。

《ACS Nano》2014年10月刊封面

近日，中国科学院重庆绿色智能技术研究院精准医疗与单分子诊断中心与武汉大学、长春理工大学、芬兰奥卢大学等单位合作在《ACS Nano》期刊发表了题为“Directly Characterizing the Capture Radius of Tethered Double-stranded DNA by Single-Molecule Nanopipette Manipulation”的论文，该论文被杂志编委评选为当期的封面期刊。在这项研究中，他们开发了一种基于纳米毛细管的单分子操控、识别及长度测量（Single-molecule Manipulation, Identification, and Length Examination，SMILE）系统。研究团队利用该系统成功对拴系态双链DNA分子进行捕获与拉伸操控。研究结果展示了一个围绕拴系DNA锚点存在的特征捕获半径（r_capture）和拉伸半径（r_stretch）。值得注意的是，在不同的捕获电压下观察到针对不同长度DNA的特征捕获半径的比例是一致的，这个比例与它们的回旋半径比例十分接近。而对于拉伸半径，其比例与轮廓长度（L₀）的比例保持一致，并且拉伸比例（r_stretch /L₀）随着电压的增加（100 mV – 1000 mV）从70%增加到90%。更重要的是，研究团队通过数值模拟计算确定了特征捕获和拉伸半径的起源，即它们分别受到由熵弹性主导的捕获势垒和电场主导的逃逸势垒的影响。这项研究引入了一种新的单分子操控与分析方法，有望实现对拴系态分子构象、电学和扩散特性的全面探索。

SMILE单分子操控系统

这项综合研究首次揭示了拴系态分子被纳米孔捕获的特征长度分布模式。多项研究结果表明，拴系态分子的回旋半径近似于捕获半径的低电压极限状态，为揭示拴系分子的内在物理特性提供了实验和理论基础。此外，该研究为生物物理学、基因测序以及包括RNA、蛋白质等带电分子的分子诊断等领域引入了创新的测量方法和研究视角。

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家自然科学青年基金项目以及重庆市自然科学基金的支持。

相关论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c05605