为化疗指明方向:纳米限域将减少DNA相互间的“混乱”

smll201303046-gra-0001-m-300x278对生物学深入研究,即使在表面层次,都是一个很了不起的经历,它让你对生物体内动态平衡的错综复杂性深感佩服。每一个生物分子水平的发现都会带来一股相互关联的变量,各个变量传递着他们的影响,并在维持我们的健康中发挥着作用。但如此奇妙的天然系统化的功能并不引人注意(往往都不太受重视),尝试理解这些都会令人感到不可思议,更不用说相信其可以如此精准的发挥作用。

在生物体层面,这些数百万的过程相互协调的工作着,但是在分子尺度,想象一下细胞内工作的场景:成千上万种分子在忙碌着它们的“业务”。如果没有更广阔的视角,这在分子尺度看起来像是处在一种同时混乱的方式中。然而,大自然是掌控混乱的高手,由混乱理论所定义的明显处于一个无序状态的过程,实际上是由一个潜在的秩序和目的来操作的,常规观察并不能识别到这种秩序和目的。因此无序的出现也可以看作是我们理解的缺乏。

来自美国德州A&M大学的研究人员正在改进我们对DNA与小分子相互作用的理解,他们将这种相互作用看作是一个体系熵(熵可以看作是统计学上对混乱的衡量)的函数。通过对单个分子进行限制,他们观察到了原本可能会被忽略为噪音的动态过程。仔细的观测揭示了分子的构象和刚性对分子运动的影响

分子进入到一个狭窄空间后,发现自己仅有很少的几个构象选择能适应该空间。这就降低了构象的自由度,也因此减少了可能从表面上看起来被我们认为是无序状态的方式。这个过程的发生需要消耗能量,在Shi 和Ugaz的研究工作中,他们通过电场给DNA片断提供能量。在DNA分子被强制挤压穿过纳米孔时,他们监测到了随之而来的运送的易化。与其它分子结合后,DNA分子尺寸和刚性的变化改变了帮助它穿过孔隙所需要的力量。

这种改进的观测提高了我们对混乱的理解,并增强了我们对混乱的重视。认识到“混乱”实际上是一个良好调谐、高度相关的体系,这有助于解释从分子到器官水平最基本的生物学过程。基因表达对这种体系的平衡调谐至关重要,它由蛋白质和酶与DNA的结合而决定。分子对特定DNA序列的特异性相互作用和识别有助于维持这种潜在的稳态秩序。

然而,癌症及其并发症正是归结于体内这种微妙平衡的缺失。药物和其他分子在这里可以干扰这些相互作用,并可能抑制基因的错乱,或者激发出机体的自身防御。同样,了解药物,比如化学疗法,是如何与DNA相互作用可以阐明他们实际上是如何发挥作用的。这种相互作用在生物医药工程及诊断领域也发挥着作用。

熵力显微镜将会显著提高我们对在健康功能中发挥作用的有序的生物分子相互作用的理解。

来源:Nano-confinement reduces the chaos of DNA interactions: Bringing order to chemotherapy

翻译:刘倩