近日，重庆研究院精准医疗研究中心联合重庆邮电大学开发可控准静态纳米孔扫描检测策略，实现DNA亚结构单分子电成像，为DNA纳米技术定量表征提供全新工具，解决了原子力显微镜（AFM）与冷冻电镜（cryo-EM）均难以在天然液相环境下完成单分子动态亚结构定量解析的难题。
图1 准静态纳米孔扫描DNA亚结构实现定量电成像表征
DNA纳米结构依靠核酸自组装构建精密纳米器件，其单链缺口、分支等局部亚结构直接决定分子力学稳定性与功能表现，背后涉及核酸空间构象、离子输运、电场排斥体积等多尺度物理化学耦合机制，内含大量分子本征几何与电学参数，结构动态定量检测门槛高，传统表征手段存在明显局限性。依托团队自主研发的SMILE平台实现表面锚定DNA支架亚结构确定性电学成像，将DNA分支长度、折叠拓扑、空间位点信息转化为稳定可重复的离子阻断信号，无需依赖分子指纹统计比对即可完成绝对定量检测。相关研究成果以“Electrical Imaging of DNA Substructures Using Quasi-Static Nanopore Scanning”为题正式在Nano Letters杂志发表。该工作突破传统纳米孔瞬态过孔检测局限，建立适用于动态DNA组装体的定量电学成像体系。
研究建立单链DNA分支长度线性电学标定体系，实现5个核苷酸级别的超高空间分辨。研究团队在双链DNA支架上构建10–81 nt梯度线性单链分支，通过加权最小二乘拟合校正批次实验漂移，证实无折叠单链分支的离子阻断幅值与核苷酸数量呈严格线性关系（R2=0.998），近一个数量级长度范围内信号增量可累加、可定量，仅5 nt的长度差异即可清晰区分。
图2 线性单链分支长度定量电学检测：(a) 梯度长度单链分支修饰DNA支架示意图；(b) 不同长度分支扫描电流特征曲线；(c-e) 分支阻断幅值配对统计、长度线性拟合、电压对长度分辨比的调控规律
在总核苷酸长度保持一致的前提下，团队构建线性单链、类适配体局部配对、发夹双链三种分支构型开展对照测试：同等25 nt长度下，配对结构阻断信号显著高于纯单链（适配体分支幅值为线性单链1.26倍，发夹分支达1.55倍）；随发夹茎干碱基对增加，阻断幅值呈现二次函数超线性增长。该结果揭示刚性双链DNA具备更大排斥体积与流体阻力，碱基堆叠、氢键协同作用带来摩擦效应叠加，阻断信号随链长非线性放大。
冯晓伟、殷博华为共同第一作者，方绍熙、尹雅洁为共同通讯作者，该研究依托国家重点研发计划、国家自然科学基金、重庆市自然科学基金等多项课题支持。
相关论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c01680