內(nèi)容簡介
最基本的細(xì)胞生物學(xué)過程取決于核酸和蛋白質(zhì)之間的復(fù)雜相互作用，對這些相互作用的定量評估對于理解控制脫氧核糖核酸（DNA）復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組或DNA修復(fù)的機(jī)制至關(guān)重要。而對生物分子的結(jié)構(gòu)以及相互作用的評估很大程度上取決于光譜技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的振動(dòng)光譜技術(shù)由于光學(xué)衍射極限的存在，最高空間分辨能力只能達(dá)到300nm（取決于激發(fā)源），獲得整體水平上的平均化學(xué)信息，體光譜法在應(yīng)用于生物異質(zhì)系統(tǒng)（如DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物）方面具有局限性。
近二十年來，納米尺度光譜技術(shù)在單分子結(jié)構(gòu)的檢測方面體現(xiàn)出巨大潛力，應(yīng)用納米紅外光譜技術(shù)（AFM-IR）已成為獲得蛋白質(zhì)納米級空間分辨率成像及吸收光譜的有效工具。法國勃艮第大學(xué)卡諾跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)室的Olivier Pietrement等人采用布魯克納米紅外系統(tǒng)（nanoIR3）表征了DNA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 和單個(gè)DNA分子的納米光譜和吸收成像，相關(guān)成果發(fā)表以Infrared nanospectroscopic imaging of DNA molecules on mica surface為題，發(fā)表在Scientific reports上。
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
作者采用亞精胺和Ni2+預(yù)處理云母表面，隨后沉積DNA分子結(jié)構(gòu)，采用納米紅外光譜技術(shù)分別對兩種DNA分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行納米尺度化學(xué)表征。
沉積在亞精胺官能化云母表面上的DNA分子呈現(xiàn)出多孔狀的DNA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，DNA分子相互吸引，但強(qiáng)度不足以產(chǎn)生完全球形的凝聚結(jié)構(gòu)。圖1（b）為采用1728cm-1波數(shù)的紅外吸收對比成像，紅-黃色代表較強(qiáng)的吸收，綠-藍(lán)色代表吸收弱，紅外成像圖也清晰的展示出DNA的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。納米光譜（圖1c）顯示DNA分子上最強(qiáng)的吸收位于1700-1770cm-1，該寬吸收帶由雜環(huán)基的C=O、C=C和C=N基團(tuán)的重疊面內(nèi)振動(dòng)組成。此外，峰值在1693 cm?1的特征光譜來自腺嘌呤；1647 cm?1和1655 cm?1處的吸收帶分別是胞嘧啶和酰胺I帶的C2=O2中等強(qiáng)度拉伸的標(biāo)志；在1630 cm?1附近發(fā)現(xiàn)一個(gè)與胺基團(tuán)相關(guān)的低強(qiáng)度峰；而峰值位于1577 cm?1的吸收帶與腺嘌呤的C=N振動(dòng)拉伸有關(guān)。
除此之外，作者將激光器調(diào)諧到固定波長，以評估DNA網(wǎng)絡(luò)的紅外吸收響應(yīng)（圖2）。在1728 cm?1、1654 cm?1和1646 cm?1處采集的AFM-IR圖像都凸顯了DNA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中DNA在1728 cm?1處的紅外吸收最高（圖2e），而在1654 cm?1和1646 cm?1時(shí)逐漸衰減（圖2f，g）。1550 cm?1處的AFM-IR紅外吸收圖像中背景的吸收較高，表明該波數(shù)的吸收可能源自云母表面的紅外響應(yīng)。
圖3為制備在Ni2+預(yù)處理云母表面的單個(gè)DNA分子的納米紅外表征，紅外吸收最大值為1618 cm?1。在1520–1558 cm?1之間的區(qū)域中觀察到明顯的吸收帶，1539 cm?1處的吸收峰源于酰胺 II帶；酰胺I帶的特征吸收位于1640–1670 cm?1之間；在這段吸收帶區(qū)間，觀察到1654 cm?1和1664 cm?2兩個(gè)峰值，以及1652 cm?1和1672 cm?1處的肩峰，分別對應(yīng)于胞嘧啶的酰胺I和C2=O2。1568 cm?1處較弱的吸收峰對應(yīng)于鳥嘌呤C=N環(huán)振動(dòng)；在1589 cm?1處的吸收則歸因于苯環(huán)C–C拉伸。
圖4為1634 cm?1、1664 cm?1、1674 cm?1和1550cm?1處采集的單個(gè)DNA的紅外吸收成像，分別代表鳥嘌呤的C6=O和胸腺嘧啶的C4=O、胞嘧啶的C2=O2、鳥嘌呤的C6=O和胸腺的C4=O的振動(dòng)。
總結(jié)
作者首次使用AFM-IR以超高的空間分辨能力和靈敏度成功表征了DNA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和單個(gè)DNA分子的納米光譜和吸收成像。作者認(rèn)為，AFM-IR納米光譜技術(shù)可以成為化學(xué)修飾DNA和核蛋白復(fù)合物的光譜和成像表征的有效方法。