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.     

单分子物理与化学的新进展

本文对新兴边缘学科-单分子物理与化学的一些研究进展进行简要综述。在对单分子科学中几类基本实验技术如扫描隧道显微术和光镊技术等作了简要介绍之后,重点评述了单分子实验技术和研究方法在物理、化学、生物和分子电子学等学科领域的应用和影响。基于扫描隧道显微术和电子结构计算,列举了最近几个关于单分子高分辨表征、单分子器件和单分子量子调控等方面的研究实例。最后对单分子物理与化学的发展前景进行了展望。     

单分子物理与化学的新进展

本文对新兴边缘学科-单分子物理与化学的一些研究进展进行简要综述。在对单分子科学中几类基本实验技术如扫描隧道显微术和光镊技术等作了简要介绍之后,重点评述了单分子实验技术和研究方法在物理、化学、生物和分子电子学等学科领域的应用和影响。基于扫描隧道显微术和电子结构计算,列举了最近几个关于单分子高分辨表征、单分子器件和单分子量子调控等方面的研究实例。最后对单分子物理与化学的发展前景进行了展望。     

一种改进型单分子操纵装置及其应用

改进了单分子横向磁镊装置,可以直接用于观察单个DNA分子的伸长和扭转并随时更换样品池内的溶液,还可以同时操纵多个DNA分子,大大提高实验效率.此方法可以提供01到40pN范围的拉力,足以满足大部分单分子DNA实验的要求.用该装置实时观测到了DNA分子在拉力作用下的伸长以及在旋转磁场作用下的扭转,并成功地观察到了分子马达拉动DNA的动力学过程,从而验证了该装置的实用性. 关键词： 横向磁镊 单分子操纵 DNA拉伸 DNA扭转     

DNA单分子弹性理论

随着单分子操纵技术的发明与发展，人们已经可以对单个生物大分子施以力或力矩，并测量它们的物理性质，DNA单分子的力学实验表明，在分子尺度上理解生物大分子的生化过程，力与能量是同等重要的结构与功能参数。一个梯子模型被用来描述双链DNA的外力拉伸曲线，在这个模型中，DNA是由许多碱基对(梯子的横杆，横杆之间存在吸引势)连接两条聚核苷酸虫链(梯子的两侧)形成的高分子，利用路径积分法得出的理论曲线与实验曲线吻合得很好，对于单链DNA，用分立的杂化高分子链统计理论的母函数方法来计算其弹性行为，得出与实验相符合的外力引起的解链相变结果。此外，对于抑瘤蛋白p53识别序列DNA微环弹性进行分析，发现其弹性模量只是通常随机序列的三分之一。     

原子、分子以及电荷的原子力显微术操纵及其应用

原子力显微术在原子级分辨表征、化学键识别、探测电荷密度分布等领域都有重要的应用.本文在介绍原子力显微术基本工作原理的基础上,着重介绍其在室温原子操纵、对原子/分子操纵过程的表征、以及绝缘基底上的电荷操纵三个方面的工作进展.主要内容有:1)原子力显微术的成像原理及其对典型分子的化学键分辨表征; 2)原子力显微术在室温下的力学操纵和原子识别能力; 3)用原子力显微术操纵分子表面异构或吸附构型变化并表征该过程中的相互作用力; 4)在绝缘基底上通过原子力显微术对单分子及多分子的电荷操纵.原子力显微术操纵在这些领域内的工作拓展了扫描隧道显微镜在原子/分子操纵方面的工作范围,为理解并精确控制操纵过程及构造纳米尺度器件提供了新的思路.     

利用扫描隧道显微镜表征和操纵单分子

扫描隧道显微镜（STM）提供给我们一种表征单分子的局域物理和化学特性的特殊方法，甚至还能帮助我们操纵单分子以构造分子尺度的新型器件。本文中我们采用了两种新型STM技术分别来表征封装在富勒烯笼里面的金属原子和构造一种具有较强Kondo效应的分子器件。空间dI/dV映像谱被用来探索单个Dy@C82分子中能量分辨的金属-笼杂化态，揭示了有关Dy原子在碳笼中的空间位置和Dy-碳笼之间相互作用的重要信息。我们也通过控制STM针尖诱导的高电压脉冲来诱导CoPc分子的边缘脱氢化，从而改变了这个分子在Au(111)表面的吸附构型，导致吸附在Au表面的完整CoPc分子所不具备的Kondo效应产生。     

生物高分子的单分子物理研究

许多生物大分子通过机械力来调控其结构与生物功能。它们能够产生,感应,传递和响应力学信号,并且做出相应的构象变化。单分子力谱被广泛地用于表征这些生物分子在其生理环境下的构象变化,从而研究机械力对结构和功能的调控作用。我们将在这一综述中,总结不同生物大分子力谱与其结构之间的对应关系,和各种相互作用对生物大分子力学性能的贡献和调控。这些研究也使得基于原子力显微镜的单分子力谱成为一个多功能的研究工具,把传统的生物化学和生物物理拓展到单分子层面。     

用单分子磁镊研究顺铂导致的DNA凝聚

本文报道了用单分子磁镊研究抗癌药顺铂导致的DNA凝聚过程.结果表明,当拉力比较小时,DNA凝聚的长度-时间曲线是连续缩短和阶跃缩短并存的复杂曲线.而当拉力较大但又不足以阻止DNA的凝聚时,凝聚曲线为连续缩短的双曲线.增加顺铂浓度只会增大凝聚速度而不会改变反应曲线的形状.实验结果与下列成环凝聚模型一致：在水溶液中顺铂能够与DNA形成双臂加合物,也能形成单臂加合物.当顺铂使DNA长链上相距较远的碱基间发生远程交联时,形成小环,导致DNA凝聚.小环间的进一步交联会引起DNA的完全凝聚.DNA凝聚产物十分稳定. 关键词： 顺铂 DNA凝聚 单分子操纵 抗癌药     

单分子分叉反应机理

本文提出单分子叉反应三种模式并导出其反应速率公式，由此指出，尽管单分子分叉反应总速率具有单分子反应特性，但它有竞争机制，因而不同于Ｌｉｎｄｅｍａｎｎ机理，在特殊条件下，Ｌｉｎｄｅｍａｎｎ机理只是其特例。     

Single photon emission from a single molecule

Photon emission from a single molecule at room temperature exhibits nonclassical features. Continuous wave fluorescence excitation provides antibunching in the emitted photons sequence as a signature of the property to only emit one photon at a time. A short pulsed excitation can then produce single photons on demand, with an overall quantum efficiency up to 4.5% in our experimental setup. Direct measurement of the Mandel parameter Q(T) for an observation period of duration T follows a subpoissonian statistics on short time scale and superpoissonian statistics on longer time scale. The latter is attributed to blinking in the fluorescence due to the occurence of a metastable molecular triplet state. To cite this article: F. Treussart et al., C. R. Physique 3 (2002) 501–508.     

Mastering the molecular dynamics of a bistable molecule by single atom manipulation

At low temperature (5 K), a single biphenyl molecule adsorbed on a Si(100) surface behaves as a bistable device which can be reversibly switched by electronic excitation with the scanning tunneling microscope tip. Density functional theory suggests that the biphenyl molecule is adsorbed with one dissociated hydrogen atom bonded to a neighbor surface silicon atom. By desorbing this hydrogen atom with the STM tip, the interaction of the molecule with the surface is modified such that it becomes transformed into a multistable device with four stable states having switching yields increased by almost 2 orders of magnitude.     

A puzzle in DNA biophysics

In this issue, Lee et al. report the experimental temperature-dependence of the unzipping force for two natural DNA sequences. For both sequences, the curves show an anomaly at temperatures around 40 C. In this brief contribution, we stress that the anomaly is not easily explained within the established theoretical models for the biophysics of DNA. As this puzzle questions our basic understanding of DNA, it must be resolved, most likely by a combination of additional experiments and new theoretical work.     

The elastic theory of a single DNA molecule

We study the elastic responses of double-(ds) and single-stranded (ss) DNA at external force fields. A double-strand-polymer elastic model is constructed and solved by path integral methods and Monte Carlo simulations to understand the entropic elasticity, cooperative extensibility, and supercoiling property of dsDNA. The good agreement with experiments indicates that short-ranged base-pair stacking interaction is crucial for the stability and the high deformability of dsDNA. Hairpin-coil transition in ssDNA is studied with generating function method. A threshold force is needed to pull the ssDNA hairpin patterns, stabilized by base pairing and base-pair stacking, into random coils. This phase transition is predicted to be of first order for stacking potential higher than some critical level, in accordance with experimental observations.     

Single molecule diffraction

For solving the atomic structure of organic molecules such as small proteins which are difficult to crystallize, the use of a jet of doped liquid helium droplets traversing a continuous high energy electron beam is proposed as a means of obtaining electron diffraction patterns (serial crystallography). Organic molecules (such as small proteins) within the droplet (and within a vitreous ice jacket) may be aligned by use of a polarized laser beam. Iterative methods for solving the phase problem are indicated. Comparisons with a related plan for pulsed x-ray diffraction from single proteins in a molecular beam are provided.     

Single molecule acid-base kinetics and thermodynamics

We report a method in which temperature dependent single-molecule fluorescence measurements are used to study the kinetics and thermodynamics of the acid-base interaction in films of photoresist polymer. We use the two distinct fluorescent prototropic forms of Coumarin 6 (C6-->C6+) to indicate the state of the acid-base system. Data are analyzed using a statistical model of the intensity probability distributions, yielding temperature dependent proton exchange rates, which is confirmed through agreement with a simple two-state Monte Carlo model. The temperature dependent rates are used to calculate the activation enthalpy for proton exchange.