巧奪天工：DNA分子堆積力測定

DNA，我們的遺傳物質，通常有一個扭曲的繩索梯子結構，專家稱這種結構為雙螺旋。與其他結構相比，通過鹼基對之間的疊加它是穩定的。慕尼黑工業大學（TUM）的科學家已經首次在單鹼基水平成功地測量這些分子力。這種新的知識可能有助於構建精確的DNA機器。

60多年前，研究人員克里克和沃森發現脫氧核糖核酸的結構，通常被稱為DNA。他們把雙螺旋線與一條螺旋線的螺旋線進行了比較。這梯子橫檔是鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶和腺嘌呤的鹼基對。但是，什麼保持螺旋結構的DNA鏈？

分子相互作用的特殊測量系統

生物物理實驗主任Hendrik Dietz教授使用DNA作為建築材料創造分子結構。因此，他非常有興趣更加深入地了解這種材料。「有兩種類型的相互作用力穩定雙螺旋，」他解釋說。其中一個，DNA包含的氫鍵。

另一個，專家們稱之為鹼基對的堆積力，它是在螺旋軸上堆疊的鹼基對之間相互作用。氫鍵的作用力，在另一方面，作用垂直於軸線。「到目前為止，還不很清楚這兩種力的大小，這兩種力都有助於DNA雙螺旋整體的穩定性，」迪茨解釋說。

直接測量鹼基對之間的微弱的疊加力有一個很大的技術挑戰，研究人員說，他在這個問題上研究了六年。與分子生物物理學TUM的主任合作（Matthias Rief教授）和量子理論生物物理學的教授--生物分子動力學（Martin Zacharias教授），他們成功地開發了特殊的實驗裝置，使得它可以測量單個分子之間的極弱的相互作用。

一兆分之一塊巧克力的重量

簡單地說，測量系統的設計層次，涉及微觀的光束，在一個或多個雙螺旋結構尖端平行打出。這些光束被修改使得每個端上僅有一個鹼基對。這些微觀束的兩端連接一個靈活的聚合物。在另一邊，光束耦合到可以被分開使用的光學激光光鉗的微觀領域。在溶液中，一個光束尖端上的鹼基對可以與其他光束的端上的鹼基對相互作用。這也使得有可能測量它們之間一個堆疊鍵持續多久之前，他們再次分離，以及之間的鹼基對的作用力。

研究人員測量了piconewtons範圍的作用力。「牛頓是一個巧克力的重量，」迪茨解釋說。「我們這裡是十億分之一，一千分之一，幾乎沒有重量。」兩piconewtons範圍的力量足以分離靠堆積力結合的鍵。

此外，科學家們還觀察到，化學鍵自發破裂，並在幾毫秒內再次形成。相互作用的強度和壽命在很大程度上取決於相互之間的鹼基對相互疊加的程度。

創造DNA機器

測量的結果可能有助於更好地了解機械方面的基本的生物過程，如DNA複製，即遺傳物質的繁殖。例如，堆疊的相互作用的短壽命意味著在這個過程中一種分離鹼基對的酶，只需要等待鍵自己分開-而不是不得不使用武力分開他們。

然而，迪茨還打算將這些數據直接應用到他目前的研究中：他使用DNA作為可編程的建築材料來構造納米級的機器。當這樣做時，他從複雜的細胞結構獲取靈感，作為分子「工廠」合成重要的化合物，如儲存能量的ATP。「我們現在知道如果我們可以建立足夠複雜的結構能夠做什麼，」迪茨說。「當然，當我們對分子間的相互作用的屬性有更好的理解，我們能夠更好地運用這些分子。」

目前，該實驗室正在構建一個分子DNA旋轉電機，其中的組件的連接通過堆疊的力量聯繫在一起。目標是能夠控制一個通過化學或熱刺激帶動的定向旋轉馬達。要做到這一目標，定子中轉子的運動時間是至關重要的，這項任務通過堆疊力的新研究結果已經顯著變的更容易。

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