引言

DNA分子被誉为“生命的蓝图”，其结构与动态行为在基因表达、遗传信息传递和细胞功能调控中扮演着至关重要的角色。然而，这些过程中的许多关键步骤，例如蛋白质如何与DNA相互作用、DNA在特定条件下如何弯曲或改变结构，常常涉及极其微小且复杂的分子运动。这些运动如同一场微观舞蹈，每一步都紧密配合、精确无比。为了深入揭示这种“分子舞蹈”的细节，研究人员不断开发和优化各种尖端研究手段，其中单分子研究技术成为理解生物分子行为的利器。

单分子荧光共振能量转移（single-molecule Förster Resonance Energy Transfer，smFRET）技术凭借其亚纳米级的分辨率，在观察分子动态方面取得了巨大成功。然而，其动态范围通常局限于10纳米以内，对更大尺度的分子运动研究力不从心。12月8日 Nature Methods的研究报道“Single-molecule dynamic structural biology with vertically arranged DNA on a fluorescence microscope”，突破了这一瓶颈：研究人员提出了一种全新的单分子方法——基于石墨烯能量转移（Graphene Energy Transfer, GET）的垂直DNA排列技术（GETvNA）。这一方法通过将DNA分子垂直附着于石墨烯表面，利用荧光染料与石墨烯间的能量转移效应，成功实现了对数十纳米范围内分子运动的精准追踪。

该方法不仅具备更大的动态范围，还能够以单碱基对为单位解析蛋白质与DNA的相互作用过程，进一步扩展了单分子研究的应用边界。通过这一技术，研究人员得以观察基因调控过程中DNA的构象变化以及蛋白质在DNA链上的移动。这些发现不仅有助于揭示基因表达背后的分子机制，还为开发新型生物传感器和纳米技术提供了宝贵的技术支撑。

揭开分子舞蹈的奥秘：为什么研究DNA动态如此重要？

DNA不仅是遗传信息的载体，更是生命活动的动态核心。从基因表达到蛋白质合成，DNA的每一次弯曲、扭转和局部重组，仿佛是一场精心编排的分子舞蹈。这些微观运动不仅决定了基因调控的效率，还与癌症和神经退行性疾病等多种病理状态密切相关。DNA的动态行为既是生命机制的核心体现，又为理解基因网络的复杂性提供了关键线索。

为了揭开这些复杂动态的奥秘，研究人员依赖不同技术对DNA与蛋白质相互作用进行高分辨率观察。单分子研究技术因其能直接观测分子行为而备受青睐。例如，在基因表达动力学研究中，单分子技术揭示了DNA随时间变化的构象和蛋白质结合步骤，为阐明基因调控机制提供了精确的实验数据。此外，这些技术还能帮助研究人员分析疾病相关突变如何改变DNA动态特性，为精准医学提供指导。

单分子技术的进化之路：从smFRET到GET的突破

在分子动态研究中，单分子荧光共振能量转移（single-molecule Förster Resonance Energy Transfer, smFRET）技术凭借其亚纳米级分辨率而广受关注。通过测量两种荧光染料之间的能量转移效率，smFRET可以捕捉分子内结构变化。然而，smFRET的动态范围局限于10纳米以内，难以研究更大尺度的分子运动。

石墨烯能量转移（Graphene Energy Transfer, GET）技术则突破了这一限制。GET利用石墨烯表面的能量吸收特性，测量荧光染料与石墨烯之间的距离，其动态范围扩展至10至30纳米。与smFRET相比，GET不需要复杂的标记过程，操作更简便，适用范围更广。在实验中，研究人员结合荧光寿命成像显微镜（FLIM）对GET信号进行高精度分析，有效减少了样品漂移和激光功率波动对数据的影响。

研究显示，GET技术在蛋白质结合诱导的DNA折叠过程中，能捕捉到明显的荧光信号变化。这为分析分子间相互作用提供了全新视角，特别是在大尺度分子动力学研究中展现了巨大潜力。

石墨烯与DNA的奇妙结合：从水平到垂直的排列新策略

研究人员开发的这种创新方法，通过在DNA分子末端设计5个核苷酸的单链DNA（overhang），实现了双链DNA的垂直排列。这种排列方式使DNA分子可以非共价附着在石墨烯表面，大幅提升了样品制备的稳定性和方向性。

实验表明，垂直排列的DNA在检测100个碱基对长度的双链DNA时，表现出更高的重复性和灵敏度。与传统水平排列相比，这一策略极大降低了背景信号干扰。此外，这种方法还能灵活应用于特定序列的变异检测，帮助研究人员探究DNA全局构象的微妙变化，为个性化医学提供了重要支持。

石墨烯能量转移（Graphene Energy Transfer, GET）技术及其在单分子研究中的应用（Credit: Nature Methods）

石墨烯对荧光染料的猝灭效应（左）

石墨烯通过猝灭荧光染料的荧光信号，根据染料与石墨烯表面的距离呈现出特定的距离依赖性。这种依赖性超越了传统FRET（荧光共振能量转移）的距离范围（通常为10纳米以内），能够实现10至30纳米范围内的高精度距离测量。这项技术为研究分子结构和动态提供了更广的操作范围。

DNA的垂直排列及其应用（右）

研究人员通过在DNA分子末端设计一段单链DNA（约5个碱基长），将双链DNA垂直固定在石墨烯表面。这种创新性排列方式为单分子生物物理实验提供了全新的工具。例如：测量DNA结构的变化，检测蛋白质与DNA结合后引起的构象变化，追踪蛋白质在DNA链上的移动。

分子运动的全景追踪：GETvNA如何扩展研究范围

GETvNA（基于石墨烯能量转移的垂直排列DNA）技术结合了GET的动态范围优势与垂直排列的精准控制能力，以单碱基对分辨率追踪DNA的动态行为。这项技术能够量化DNA长度变化、局部弯曲角度，以及蛋白质在DNA链上的滑动路径，为分子机器的研究提供了无与伦比的工具。

通过GETvNA，研究人员观察到长度仅相差一个碱基对的DNA分子在荧光信号上的显著差异，精度达到亚Å级。在实验中，研究人员利用GETvNA测量了蛋白质在DNA链上的滑动路径，发现与基因修复和转录调控相关的特定停顿点。这些发现为揭示DNA序列如何影响蛋白质运动提供了重要线索，并为药物靶点设计奠定了基础。

此外，GETvNA能够检测DNA超螺旋和拓扑变化，其灵敏度远超传统方法。这种能力使其成为研究染色质动态组装与调控的理想工具，为探索基因组大尺度动态变化提供了技术支撑。

基因调控背后的动态画面：GETvNA的发现

基因表达的核心在于DNA与转录因子的动态相互作用。GETvNA首次实现了对转录因子结合DNA引发构象变化的量化分析。研究发现，不同转录因子能够诱导DNA不同程度的弯曲，其幅度与基因启动子的活性高度相关。结合动力学分析，这些构象变化进一步揭示了基因表达效率的分子基础。

通过追踪蛋白质在DNA链上的滑动路径，GETvNA还揭示了DNA修复和转录过程中关键步骤的时间依赖性。例如，研究人员发现多种DNA修复蛋白的协同作用在不同阶段表现出显著的停顿模式，这些数据为精准解析修复机制提供了关键信息。

从基础到应用：石墨烯传感技术的未来潜力

石墨烯因其高透明度和优异的能量转移特性，不仅在单分子研究中表现卓越，还展现了广泛的应用前景。GETvNA技术结合DNA纳米技术，为开发高灵敏度生物传感器提供了全新思路。在实验中，基于GET的传感器成功检测到低至纳摩尔级的DNA构象变化，为分子诊断开辟了新路径。

在纳米技术领域，GETvNA的动态追踪能力可应用于监控分子机器或纳米机器人的运动。例如，在智能药物释放系统中，GETvNA能够实时监控药物载体的路径和释放效率，为提升治疗精准性提供技术支持。此外，通过将GET技术整合到多功能传感平台中，研究人员可以实现对复杂生物过程的全景追踪，推动生物医学研究进入新高度。

未来如何更精确地观察分子？

尽管GETvNA技术取得了重要突破，其实际应用仍面临一些挑战。例如，石墨烯表面的结构缺陷可能导致数据一致性下降。为此，研究人员正在探索更均质化的石墨烯制备方法，以减少其表面异质性对测量精度的影响。

此外，通过引入稳定性更高的荧光染料和低背景噪声的光学成像系统，GETvNA的灵敏度和可靠性有望进一步提升。未来，结合人工智能驱动的数据分析技术，研究人员能够从复杂实验数据中提取关键信息，为解读分子动态提供更多可能性。

分子世界的新窗口如何改变科学？

GETvNA技术为观察分子动态提供了前所未有的可能。从DNA构象变化到蛋白质滑动路径，这一技术为揭示生命活动的分子机制提供了精确工具，并为未来生命科学研究开辟了全新方向。

随着石墨烯技术的不断发展，GETvNA在生物医学、药物开发和纳米技术领域的应用潜力将被进一步释放。例如，通过实时监测分子相互作用的动力学过程，研究人员可以设计出更精准的药物治疗策略，为精准医学注入新活力。同时，GETvNA作为分子动态监测平台，将在未来推动基础科学研究和技术创新迈向新高度。

参考文献

Szalai, A.M., Ferrari, G., Richter, L. et al. Single-molecule dynamic structural biology with vertically arranged DNA on a fluorescence microscope. Nat Methods (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02498-x

Kosuri, P. Single-molecule DNA dynamics with graphene energy transfer. Nat Methods (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02560-8