单分子操纵与单分子生物物理

文章介绍了近年来发展起来的一些单分子操纵实验技术如光镊、磁镊、微针、斯托克斯拖曳技术，以及应用这些技术拉伸、旋转、解链DNA分子，从而研究其力学性质所取得的研究进展．各种蛋白质如T7 DNA聚合酶、拓扑异构酶，SWI／SNF染色质重建复合体、RNA聚合酶与DNA的作用在生化过程中十分重要，因此，文章也介绍了这些蛋白质与DNA在单分子的水平上相互作用所取得的研究进展．     

乙醇与三氯六氨络合钴协同作用导致的DNA凝聚

利用原子力显微镜技术(AFM),系统地研究了由乙醇与多价离子(hexammine cobalt(Ⅲ)[Co(NH3)36+])协同作用导致的λ-DNA凝聚现象.单独测得3价Co(NH3)36+的临界凝聚浓度大约是10μmol·L-1,乙醇的临界凝聚体积分数大约是15%.若3价离子[Co(NH3)36+]的浓度大于400μmol·L-1时,可以观察到DNA的解凝聚现象.在DNA溶液中同时加入乙醇(体积分数12%)与Co(NH3)36+(8μmol.L-1),当其浓度各低于其临界值,也可观察到凝聚现象,说明乙醇与Co(NH3)36+对DNA的凝聚有协同作用,而且在协同作用下,可以观察到典型的圆环结构(toroids).利用电荷逆转与离子释放机制分析了观察到的解凝聚现象.     

谐振势阱中的布朗运动——磁镊实验与模拟

从磁镊实验和模拟角度研究了处于谐振势阱中的布朗运动. 利用实验和模拟的结果验证了理论.然后通过理论与实验的对照, 对磁镊实验中DNA分子的持久长度大小对小球位移分布的影响, 以及磁镊实验中的测力误差作了相关分析.分析指出:持久长度的变化对沿 DNA链方向上的布朗运动影响更大;小的外力作用下力的测量会出现较大误差.     

Direct Observation of Histone-Induced DNA Shortening

We construct a system of magnetic tweezers and apply it to study the interaction between histones and DNA. The condensation of DNA by purified histones at low ionic strengths is directly monitored by recording the length of the DNA as a function of elapsed time. It is found that DNA condensates in a dynamic manner. The binding of hist, ones to DNA is energetically favoured, but the ten,sion applied on DNA tends to unravel the DNA-histone complex, The competition between the two processes determiners the rate of the DNA condensation.     

DNA分子力学性质的测量

利用单分子实验技术测量了DNA分子的力学性质.通过生化手段将单根DNA分子连在顺磁小球与玻璃侧壁之间,利用磁铁对顺磁球施加力进而拉伸DNA.图像分析得到小球运动的轨迹以及DNA的长度,利用均分定理可以求得施加的外力.测量发现在外力作用下DNA分子的力学反应与高分子物理学的蠕虫状链模型符合良好.     

原子力显微镜扫描成像DNA分子

采用Mg2+处理DNA、APTES或戊二醛修饰云母表面、DNA拉直方法制备了λ-DNA及DNA-组蛋白复合物样品.室温下原子力显微镜以轻敲模式在空气中扫描样品成像.实验结果表明:AFM扫描成像的效果与样品的制备方法有关,同时也受操作因素影响.     

利用Matlab模拟布朗运动测量实验

利用matlab工具模拟了布朗运动测量的实验。通过一正态随机数产生函数模拟从而产生布朗运动步距。在假定粒子所受拖曳力满足斯托克斯关系的情况下,通过拟合多个粒子的均方位移随时间的变化曲线得到斜率,从而进一步可得出扩散系数和波尔兹曼常数。同时,根据模拟结果也对如何减小实验误差作了分析。     

Processes of DNA condensation induced by multivalent cations： Approximate annealing experiments and molecular dynamics simulations

The condensation of DNA induced by spermine is studied by atomic force microscopy （AFM） and molecular dynamics （MD） simulation in this paper. In our experiments, an equivalent amount of multivalent cations is added to the DNA solutions in different numbers of steps, and we find that the process of DNA condensation strongly depends on the speed of adding cations. That is, the slower the spermine cations are added, the slower the DNA aggregates. The MD and steered molecular dynamics （SMD） simulation results agree well with the experimental results, and the simulation data also show that the more steps of adding multivalent cations there are, the more compact the condensed DNA structure will be. This investigation can help us to control DNA condensation and understand the complicated structures of DNA--cation complexes.     

利用Arduino测量斜面滑动和自由落体运动

利用Arduino和乐高积木测量了斜面上的滑动和自由落体运动.利用乐高积木搭建了斜面装置,利用红外传感器、电阻与Arduino结合,测量了滑块在斜面上的运动时间(或自由落体运动时间)以测量其运动加速度.实验测量值与理论符合良好,验证了Arduino用于物理实验测量的可行性.     

布朗运动相关科学史

 19 世纪中叶,麦克斯韦和玻尔兹曼提出了分子运动论学说。这个学说建立在物质是由原子和分子组成这一前提下。在该前提下,以前用能量观点解释的宏观物理量,如热能,可看成是众多分子或原子热运动行为的统计结果。