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偶然的发明可能导致筛选药物和毒素的简便方法

人体和其他活生物体中的几乎每个细胞都含有编码基因指令的DNA。毒素对DNA的损害可能严重影响健康,而其他化学物质则可以促进DNA的稳定性和修复。有关DNA与其他化学物质之间相互作用的信息可以帮助科学家开发针对癌症等疾病的新的预防措施和治疗方法,但是很少有现有技术能够足够敏感地研究这些相互作用,而足够敏感的技术则非常昂贵。

物理学专业和荣誉学院的学生杰克·弗里兰德(Jack Freeland)以及助理教授王勇(Yong Wang)开发了一种方法,可以使用大多数化学和生物化学实验室中现成的设备和技术,更轻松地研究DNA与其他化学物质之间的相互作用。

Freeland和Wang已经证明,可以将弯曲的DNA片段(称为DNA放大器)用于通过凝胶电泳观察DNA与金属离子的相互作用。他们发表了一项研究,证明了使用镁和银离子的这种方法的概念证明,并且他们已经为其方法申请了专利。他们计划研究DNA与其他化学物质之间的相互作用,最终目标是开发一种筛选针对DNA的药物的方法,包括癌症治疗方法。他们的发现还可以用于监测水质。

作为UCLA的一名博士生,Wang和他的同事开发了一种弯曲DNA的技术,以研究机械力对蛋白质的影响。DNA具有双螺旋结构,该结构由两对成对的分子或碱基链形成。Wang从合成的DNA的两条单链开始,一条较长,一条较短。混合在一起并加热后,两根绞线的底部配对,因此较长绞线的端部向较短绞线的中间弯曲并形成圆形结构。

Wang和Freeland偶然发现这些结构可用于观察DNA与其他化学物质之间的相互作用。在使用弯曲的DNA片段研究蛋白质的行为时,研究人员改变了DNA片段自组装的缓冲溶液的组成。当他们从该溶液中除去镁离子时,它对DNA的组装方式产生了明显的影响。研究人员知道,在存在镁的情况下,DNA会比脱镁时形成更稳定的结构,因为已知镁对DNA具有稳定作用。但是,他们没有期望在没有昂贵设备的情况下在低浓度的镁中观察到足够大的效果。研究人员意识到他们已经找到了扩大这种效应的方法,

作为物理学家,弗里兰(Freeland)和王(Wang)认识到弯曲的DNA放大了镁离子的作用,因为弯曲分子会改变其“能量分布”,这在物理学领域是众所周知的概念。DNA是由分子键合在一起的分子组成的系统,其能量格局决定了其如何受到机械和化学力的影响。弯曲DNA链会在分子键上施加应力,这会改变这种状况,并会放大离子和其他化学物质的作用。

王把弯曲的DNA比作木棍。他说:“如果你有一堆木棍,然后向它们扔一个球,那么其中的一些木棍就会破裂。” “另一方面,如果弯曲棍棒使之接近破裂,那么当您将球扔向它们时,破裂的棍棒数量会更多,效果会更容易观察到。”

使用力学和物理学的概念来研究诸如DNA之类的生物系统是一种相对较新且有希望的方法。Wang说:“机械方法特别吸引人,因为机械方法在不依赖于所涉及的化学和生化系统及反应的确切类型和细节的意义上是通用的,因此,使机械方法具有极大的兴趣。利用机械能和力来控制化学,生物化学和生物反应,在过去的三十年中取得了重大进展。”

在他们的研究中,Freeland和Wang观察了在镁和银离子存在下DNA自组装链的行为。他们将设计成可自我组装成弯曲形状的DNA链与设计成通常方式自组装的DNA对照组进行了比较。研究人员使用凝胶电泳(一种常规且廉价的技术)来观察能够结合多少条DNA链以及形成了什么样的结构。

当DNA暴露于镁离子时,研究人员可以观察到离子的稳定作用促进了弯曲DNA分子中能量的释放,使它们变直并形成了Freeland在其他实验中观察到的更稳定的结构。另一方面,在存在镁的情况下,对照DNA没有可观察到的差异。

当研究人员露出的DNA银离子,他们观察到的存在银离子影响了DNA碱基的配对成弯曲结构的能力。结果,凝胶电泳显示弯曲的DNA和银混合物中有更多的单链和更少的杂交链,这种作用太小了,无法在非弯曲的DNA链上观察到。

弗里兰德(Freeland)从事这个项目,这是他的荣誉论文的一部分。他解释说,他希望在王的实验室工作,因为他看到那里的项目可以对世界产生影响。进行研究和发表论文的机会增加了他作为一名本科生的经验。他说:“我一直在寻找能够对人们的生活产生短期或直接影响的研究。” “当我开始工作时,通常是尝试完成论文并试图毕业,但是随着项目的进行,我花了越来越多的时间,实际上它实际上已经成为我职业上的影响者。”

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