科学家几十年来一直弄错了DNA打结的问题

纳米孔是极其微小的通道，能让DNA单链通过并产生电信号，帮助研究人员详细分析遗传物质。此前，这些信号的重要特征一直被误解。

为何科学家认为DNA在打结
多年来，研究人员认为纳米孔实验中观察到的复杂电信号模式是由DNA打结引起的。这个想法很容易想象：就像将鞋带拉过窄孔时，如果鞋带缠结，拉动就会不均匀，科学家假设DNA的行为也是如此。任何不规则信号都被认为意味着DNA链在通过孔时打了结。这种解释影响了数十年来纳米孔数据的解读方式。

是扭转而非打结解释信号
发表在《物理评论X》上的新研究表明，这种长期存在的假设往往是错误的。DNA在通过纳米孔时并非形成真正的结，而是经常发生自身扭转。这些被称为“绞缠结构”的扭转形态，更像是缠绕的电话线，而非系紧的结。这种区别很重要，因为扭转和打结对电信号的影响截然不同。
“我们的实验表明，当DNA被拉过纳米孔时，内部的离子流会扭转DNA链，积累扭矩并将其缠绕成绞缠结构，而不仅仅是结。这种‘隐藏’的扭转结构在电信号中具有独特且持久的特征，不同于结的更短暂信号。”卡文迪许实验室的第一作者郑飞博士解释道。

实验揭示缺失的机制
为得出这一结论，研究人员在多种电压和条件下，使用玻璃和氮化硅纳米孔对DNA进行了测试。他们注意到，所谓的“缠结”事件——即DNA的多个片段同时占据孔道——发生的频率远远超出了结理论的解释范围。随着电压升高和DNA链变长，这些事件变得更加频繁。这种模式表明存在另一种作用力在起作用。

水流如何扭转DNA
研究团队发现，扭转源于电渗流——即纳米孔内电场驱动的水流运动。当水流经过DNA时，会对这个螺旋分子施加旋转力。这种扭矩沿着DNA链传递，导致孔外的部分盘绕成绞缠结构。与在拉力下会收紧且通常很快消失的结不同，绞缠结构会变大，并且在整个通过过程中持续存在。应用真实力和扭矩的计算机模拟证实了这种行为，并表明绞缠结构的形成取决于DNA沿其长度传递扭转的能力。

阻断扭转证实发现
为进一步验证这一想法，研究人员制造了“有缺口的”DNA——即在特定位置中断的DNA链。这些中断阻止了扭转沿分子传播，并显著减少了实验中绞缠结构的形成。这一结果证实，扭转传播是该过程的关键。这也暗示了纳米孔可能用于检测DNA损伤的新方法，因为链的断裂会干扰扭转行为。

更精准解读DNA信号
“真正强大的是，我们现在可以根据持续时间来区分纳米孔信号中的结和绞缠结构。”同样来自卡文迪许实验室的合著者乌尔里希·F·凯泽教授说，“结通过得很快，就像一个快速的颠簸，而绞缠结构会持续存在并产生延长的信号。这为更丰富、更细致地解读DNA组织、基因组完整性以及可能的损伤提供了途径。”

对生物学和技术的广泛影响
这些发现的意义超出了纳米孔传感领域。在活细胞中，DNA在酶的作用下经常发生扭转和缠结，结和绞缠结构都在基因组组织和稳定性中发挥重要作用。了解这些结构的形成方式可能会改进细胞DNA行为的模型。在诊断和生物传感方面，检测或控制DNA扭转的能力可能会催生更灵敏的工具，能够识别细微的遗传变化和与疾病相关的DNA损伤早期迹象。凯泽总结道：“从纳米技术的角度来看，这项研究凸显了纳米孔的强大作用，它不仅是精密的传感器，还是以新颖方式操控生物聚合物的工具。”