单分子磁镊旋转操控和基因转录调控动力学

Rotation manipulation of single-molecule magnetic trapping and gene transcription regulation dynamics

张志鹏，刘帅，张玉琼，熊影，韩伟静，陈同生，王爽

物理学报, 2023, 72(21):218701.

doi: 10.7498/aps.72.20231089

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生物物理学是一个不断发展的交叉学科，利用物理学的方法研究生命物质各层次结构与功能的关系，揭示生命现象的物理规律。然而，生命现象是大量生物分子共同作用的结果，而传统的系综实验着眼于大量分子的体系，只能提供大量分子的统计平均的结果，无法解锁生物分子的个体特征，力学性质以及它们相互作用等问题。并且，微观热涨落显著影响生物分子的运动和结构特征，导致难以捕捉这方面的信息。单分子技术的发明和发展巧妙的解决了这个问题，这类方法借助微球或荧光探针等为媒介，来观测生物分子的微观运动和结构变化，为生物学研究提供了更加丰富和本质的反应细节，提供生命活动的中间态过程以及动力学信息等，更加深刻理解生物分子的结构和功能之间的关系，阐述生物分子能量与运动信息规律，很大程度地推动了对生物物理研究的发展。

单分子操纵技术是上世纪90年代以来发展起来的，包括：光镊，原子力显微镜，磁镊等。磁镊借助磁性微球为媒介，实现对单个生物分子或细胞样品的力学性和生物学功能的研究，具有高测量通量，纳米甚至亚纳米测量精度，以及长时间尺度测量且无损伤无接触等优势，其所提供的拉力从0.1—100pN可调。近些年来，磁镊在生物大分子功能和机制方面的应用更加广泛，通过操控磁性微球，并观察和分析其运动轨迹，来研究蛋白质机器与DNA分子之间的相互作用机制，例如：RNA聚合酶转录研究、解旋酶与G-四聚体DNA结合解旋研究等。

该综述详细介绍了磁镊的工作原理，重点介绍了磁镊的旋转操控DNA分子的技术原理，解释了其具备高测量精度的本质，并进一步介绍了该技术在基因转录调控动力学研究中的重要应用，为理解磁镊如何解决科学问题提供研究范例，最后介绍了磁镊和单分子荧光成像联用的方法，该方法有望解决更加复杂的生物学问题，对未来磁镊技术在生物学的应用提出了新的展望。

单分子磁镊旋转操控方法研究转录动力学   (a) 研究方法示意图；(b) 典型转录曲线(起始(RPitc)、延伸(RDe)和终止)