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超高精度单分子荧光研究分子马达步进机理 从测量角度来看，实验科学其实就是一个不断提高测量精度的过程。这一点在分子生物物理中也不例外。 有一类生物分子被称为分子“马达”，它利用ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）水解产生的能量做轨道运动，完成其重要功能。例如DNA解旋酶，我们对它的理解一般是：解旋酶消耗一个ATP，打开一对碱基，并沿着DNA向前移动一步（这里的移动客体和移动方向是一个模糊概念）。要定量刻画解旋酶的分子机理，测量精度至少要达到0.3 nm，这是DNA双螺旋中碱基对之间的最小距离。 单分子荧光共振能量转移（FRET）是研究解旋酶分子机理的重要工具，它应用偶极子之间相互作用对距离敏感的原理，测量分子马达的运动。理论上讲，FRET可以测量0.1 nm的距离变化。然而，当将FRET应用于DNA双链的解旋研究时，很少能在室温下的水溶液中逼近这一极限，以至于很难区分本来应该有很大差别的解旋酶（图1a）。 中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）软物质与生物物理实验室李明研究组多年来致力于应用单分子技术研究生物大分子的动力学，在DNA凝聚和染色质组装（JACS 2006，PRL 2012，JACS 2013，Mol. Cell 2016）、分子马达（EMBO J. 2009，NAR 2014，NAR 2015）以及膜蛋白动力学（Nature Comm. 2016）等诸多方面取得了系列成果。这些研究的主线是通过高精度的单分子测量获取生物大分子的精细动力学信息。最近，该研究组的陆颖副研究员与博士生林文霞、马建兵等又将单分子荧光的测量精度提高了一大步。 他们根据弹性力学计算，设计了一种称为“纳米张力器（nanotensioner）”的DNA结构，将一小段DNA弯成一张弓，利用DNA双螺旋结构的弯曲弹性，使张力直接作用于待解开的DNA双链岔口，将DNA单链撑开并抑制其热涨落（图1b）。 他们将该方法应用于研究人源Pif1和大肠杆菌RecQ解旋酶。以往由于精度有限而看起来相似的解旋信号在新实验中表现得迥然不同（表观上不同并不意味着这些解旋酶完全不相干）。高精度下测得的不同点，实际上可能隐含着更深层次的共同点。基于这个思路，他们提出了一个带普适意味的分子模型：解旋酶一次消耗一个ATP，破坏一对碱基的氢键；Pif1的氢键断裂与碱基释放同步，看起来一次解开一对碱基；RecQ的氢键断裂与碱基释放不同步，看起来一次解开随机个数的碱基对。该普适模型可以更准确、细致地刻画多种解旋酶的结构与功能的关系（图2），有利于我们对“分子马达”的理解。这一研究成果发表在最新一期Physical Review Letters（PRL 119, 138102 (2017)）上。
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