DNA纳米管作为研究半柔性聚合物的多功能工具

这种新型基于 DNA 的模型系统的主要目标是理解一类半柔性聚合物的基本特性，这类聚合物同样可用于描述一类重要生物大分子的行为。该新方法使我们能够研究软物质物理学领域中的关键问题，特别是探索半柔性纤维及其形成网络结构的行为。该技术的主要优势在于，这些纤维的力学性质在实验上可被准确获取，并且能够精确调控。

半柔性聚合物由纤维丝的特殊性质所定义，由于缺乏可调控的实验体系，这些纤维丝此前仅在理论框架内被研究。尽管该方法有助于理解半柔性聚合物的关键参数，但它也可作为一种新型水凝胶，用于研究细胞在不同刚度基质中的迁移行为，同时保持基础网格尺寸不变。纳米管中最小的重复单元可被视为一个单元环。

这些单元环在杂交过程中会堆叠成多个层次，从而形成伸长的纳米管。首先，将冻干的寡核苷酸溶解于纯化水中，并按照公司提供的相应说明书进行后续的重悬操作。

调整水量以获得 200 微摩尔的终浓度。测定单链 DNA 的浓度，以验证供应商提供的数值，因为精确的化学计量对组装过程至关重要。使用微量移液器，将浓度相同的 DNA 单链在适用于 PCR 仪的容器中混合，以形成所需的 DNA 双螺旋管结构。

使用文本方案中所述的参数，在热循环仪中对DNA和螺旋管进行杂交。杂交后的DNA和螺旋管可在4摄氏度下保存长达3周，且无明显降解。进行流变学实验前，如有必要，使用样品缓冲液小心地将样品稀释至所需的最终浓度。

选择适合的流变仪几何结构，然后将样品加载到流变仪上。为防止可能的蒸发效应，通过以下三种技术之一对样品及环境的气-水界面进行钝化处理。

可将样品置于2.5毫升的样品缓冲液浴中包围；或者，在样品中加入低于胶束形成浓度的表面活性剂；也可使用Hamilton注射器将脂质包裹在样品周围，以避免样品与空气直接接触。

使用带有湿润海绵的盖子密封样品室。如果可能，可额外使用水浴以进一步抑制蒸发。在室温下，通过流变仪专用软件开始测量，并让样品在室温下平衡 2 小时。

平衡时间至关重要，需使热致变色系统达到完全各向同性的随机状态，因为只有在此状态下才能对不同测量结果进行比较。测量完成后，按照文本方案中所述方法处理数据。每份样品准备8个12微升的等分试样，每个试样中每条链使用1至4微摩尔的DNA、12.5毫摩尔的氯化镁以及1倍浓度的核酸凝胶染料。

同时设置一个不含DNA的阴性对照，但需加入核酸凝胶染料。将各份样品转移至实时PCR板中，并用粘性封膜密封。在室温下以100 × g离心1分钟，以去除气泡。

去除气泡至关重要，因为气泡在检测过程中可能膨胀，导致样品无法分析。离心后，将密封的反应板放入实时定量PCR系统中。设置退火程序：在90°C下变性DNA 10分钟，然后迅速降温至72°C。

然后温度应每30分钟缓慢降低0.5摄氏度。信号衰减后，加快温度升高速率。确保循环仪的盖子加热至至少100摄氏度，以防止蒸发的样品在粘性膜上冷凝。

组装过程中，使用氩离子激光器在488纳米波长下激发样品，并在使用CY3染料时于550纳米波长处检测荧光信号。对于其他染料，应选择适当的激发-发射波长组合。利用内置相机尽可能频繁地测量荧光信号，以提高整体信号质量。

展示了流变学测量的代表性原始数据，揭示了网络的弹性。图中显示的是平衡时间内的随时间变化曲线。该图揭示了网络的应变依赖性行为。

在此图中，可以明显看出网络的频率依赖性行为。此时选择特定频率下的数值。针对特定的 DNA 螺旋管群体，将其数值随浓度作图。

对所有 DNA 和螺旋管重复此过程。然后从对数-对数图中提取斜率，得到幂律指数。最后，将各个测量浓度下的数值重新绘制为关于持久长度的图像。

这些图谱可用于提取弹性平台模量随浓度和持久长度的变化关系。该技术发展之后，为软物质和聚合物物理领域的研究人员探索半柔性聚合物体系中纤维刚度的影响铺平了道路。通过该方法，还可进一步研究缠结网络的重构、广义交联网络以及结构形成过程等附加效应。

观看本视频后，您应该能够充分理解如何实现DNA纳米管的杂交，以及如何测量其网络结构的流变学特性。