內容簡介
最基本的細胞生物學過程取決于核酸和蛋白質之間的復雜相互作用，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）復制、轉錄、重組或DNA修復的機制至關重要。而對生物分子的結構以及相互作用的評估很大程度上取決于光譜技術的發(fā)展。傳統(tǒng)的振動光譜技術由于光學衍射極限的存在，最高空間分辨能力只能達到300nm（取決于激發(fā)源），獲得整體水平上的平均化學信息，體光譜法在應用于生物異質系統(tǒng)（如DNA-蛋白質復合物）方面具有局限性。
近二十年來，納米尺度光譜技術在單分子結構的檢測方面體現(xiàn)出巨大潛力，應用納米紅外光譜技術（AFM-IR）已成為獲得蛋白質納米級空間分辨率成像及吸收光譜的有效工具。法國勃艮第大學卡諾跨學科實驗室的Olivier Pietrement等人采用布魯克納米紅外系統(tǒng)（nanoIR3）表征了DNA網絡結構 和單個DNA分子的納米光譜和吸收成像，相關成果發(fā)表以Infrared nanospectroscopic imaging of DNA molecules on mica surface為題，發(fā)表在Scientific reports上。
實驗內容
作者采用亞精胺和Ni2+預處理云母表面，隨后沉積DNA分子結構，采用納米紅外光譜技術分別對兩種DNA分子結構進行納米尺度化學表征。
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網絡結構，DNA分子相互吸引，但強度不足以產生完全球形的凝聚結構。圖1（b）為采用1728cm-1波數的紅外吸收對比成像，紅-黃色代表較強的吸收，綠-藍色代表吸收弱，紅外成像圖也清晰的展示出DNA的網絡結構。納米光譜（圖1c）顯示DNA分子上最強的吸收位于1700-1770cm-1，該寬吸收帶由雜環(huán)基的C=O、C=C和C=N基團的重疊面內振動組成。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中等強度拉伸的標志；在1630 cm?1附近發(fā)現(xiàn)一個與胺基團相關的低強度峰；而峰值位于1577 cm?1的吸收帶與腺嘌呤的C=N振動拉伸有關。
除此之外，作者將激光器調諧到固定波長，以評估DNA網絡的紅外吸收響應（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網絡結構，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，表明該波數的吸收可能源自云母表面的紅外響應。
圖3為制備在Ni2+預處理云母表面的單個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?2兩個峰值，以及1652 cm?1和1672 cm?1處的肩峰，分別對應于胞嘧啶的酰胺I和C2=O2。1568 cm?1處較弱的吸收峰對應于鳥嘌呤C=N環(huán)振動；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。
總結
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網絡結構和單個DNA分子的納米光譜和吸收成像。作者認為，AFM-IR納米光譜技術可以成為化學修飾DNA和核蛋白復合物的光譜和成像表征的有效方法。