CN113514297A - 一种用于单分子dna拉伸的磁控分子梳方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于单分子DNA拉伸的磁控分子梳方法，通过磁场驱动DNA液滴中掺入的磁性颗粒带动DNA液滴和气液固界面运动，当气液固界面跨过DNA液滴中端部吸附在基底表面上的DNA时，界面力将DNA单分子拉伸成直线状，用以实现对单分子DNA上信息位点的荧光观测。本发明提供的DNA分子拉伸方法与现有技术相比，具有DNA样品需求量少、操作便捷、拉伸率高、拉伸均匀性好、便于与DNA样品处理和检测环节集成等优点。
Description
技术领域
本发明应用于微纳生物领域，具体是一种用于单分子DNA拉伸的磁控分子梳方法。
背景技术
当前，对DNA分子中的遗传信息和表观遗传信息的检测分析成为生物科学和医学应用的重要基础。DNA光学图谱技术直接观测拉伸成直线状的DNA上的荧光标记信息位点，是表观遗传信息检测的高效方法，已得到越来越广泛的应用，例如基因筛选、碱基甲基化分析、DNA-蛋白质相互作用分析和DNA损伤检测等。DNA光学图谱技术的首要步骤是将DNA分子从自由松弛的卷曲状拉伸成直线状，实现信息位点的直接观测。例如，溶液中回转半径仅为0.73μm的自由松弛团状λDNA(λ噬菌体DNA，长度48.5kbp)理论上可被拉伸成32μm直线状。DNA拉伸环节直接显著影响DNA光学图谱检测的效率和精度：(1)较低的拉伸率将导致检测的空间分辨率低；(2)拉伸率不均匀将导致信息位点相对位置、信息位点线密度以及DNA样品横向对比等测量分析出现严重误差；(3)昂贵复杂的拉伸仪器和操作将限制DNA光学图谱技术的广泛应用。随着DNA光学图谱技术相关的生物、化学和信息学广泛发展，高效(便捷、拉伸率高、拉伸均匀)拉伸DNA分子的力学问题成为高效率、高精度DNA光学图谱分析的关键。
当前主要的DNA拉伸方法包括纳米沟道电泳拉伸法、原子力显微镜操控法、光钳操控法、磁钳操控法、微流场拉伸法等。纳米沟道电泳拉伸法(Nat Biotechnol,2012,30(8),762-763；Nucleic Acids Res,2019,47(15),e89.)通过电泳作用力将DNA分子驱动到纳米沟道(通常沟道直径<30nm)中，DNA在纳米沟道的限域作用下延伸成直线状。该方法具有较高的拉伸率(约为0.8～1)和拉伸均匀性。然而该方法所需的纳米沟道的加工和仪器设备非常复杂和昂贵。通过原子力显微镜、光钳和磁钳等方法(Nucleic Acids Res,2016,44(9),3971-7988.)可以精确的拉伸单根DNA分子，然而该类方法每次只能拉伸一根或少量根DNA分子，并且仪器非常昂贵。微流场拉伸法(Soft Matter,2015,11(16),3105-3114；ACSMacro Letters,2017,6(11),1285-1289.)可以快速拉伸多条DNA分子，然后DNA分子的拉伸率和拉伸均匀性不足，影响后续的DNA分子上荧光信号的观测精度。分子梳拉伸方法(ACSNano,2013,7:9724-9734.)利用后退的气液固界面在疏水表面上拉伸和固定DNA分子，该方法具有较大的应用潜力，然而，目前的分子梳方法通常需要较大体积的DNA样品量、难以同时拉伸多种DNA样品。
综上所述，迄今为止，一种兼具DNA样品需求量少、操作便捷、拉伸率高、便于与DNA样品处理和检测环节集成等优点的单分子DNA拉伸方法尚需构建，这种方法对于DNA光学图谱应用具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于单分子DNA拉伸的磁控分子梳方法。
为解决上述技术问题，本发明的一种用于单分子DNA拉伸的磁控分子梳方法，包括如下步骤：
将含有磁性颗粒的DNA溶液滴加至基底；
利用磁控驱动磁性颗粒以带动DNA液滴移动；
其中，所述DNA液滴移动的过程中，移动的气液固界面将吸附在基底上的单分子DNA拉伸。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述的磁性颗粒为铁粉、四氧化三铁磁性微球、脲醛树脂磁性微球、聚苯乙烯磁性微球、二氧化硅磁性微球和g-三氧化二铁微球中的一种或多种。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述的基底为疏水性修饰基底和正电荷修饰基底中的一种或多种。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述基底的疏水性修饰方法为硅烷化分子熏蒸修饰、疏水聚合物旋涂修饰中的一种或多种。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述硅烷化分子熏蒸修饰中的硅烷化分子为三甲基氯硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、三甲基氯硅烷中的一种或多种；所述疏水聚合物旋涂修饰中的疏水聚合物为聚甲基内烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、高定向热解石墨、石墨烯、氧化石墨烯、聚四氟乙烯、ZEONEX中的一种或多种。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述正电荷修饰基底的正电荷修饰方法为涂覆多聚赖氨酸、APES硅化、正电荷吸附(Zn2+、Mg2+、Co3+等)中的一种或多种。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述利用磁控驱动磁性颗粒具体为：用移动的磁场驱动DNA液滴中掺混的磁性颗粒，使液滴定向移动，从而利用运动的气液固界面将DNA定向拉伸为直线状；其中，所述移动的磁场为通过移动永磁体、磁感线圈产生的移动磁场中的一种或多种。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述吸附在基底上的单分子DNA的吸附方式为DNA端部解螺旋暴露的疏水碱基与疏水基底的结合吸附或DNA带负电的磷酸骨架与带正电荷的基底的静电吸附中的一种或多种。
作为一种可能的实施方式，进一步的，解螺旋暴露出DNA端部所述疏水碱基的方法包括使用DNA解旋酶、加热、调控溶液的pH值中的一种或多种；其中，所述pH值为3～11，优选为5.5。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述的气液固界面的移动速度为100μm/s～1cm/s。
本发明采用以上技术方案，具有以下有益效果：
本发明仅需少量DNA样本，可用于痕量DNA样品拉伸和荧光信号检测。且仪器简易，操作简单，成本低，通用性强。本技术方案通过磁控方式，可实现多种DNA样品的同时拉伸；同时气液固界面的运动调控更精确，DNA的拉伸率和拉伸均匀性较好。可以实现DNA单分子拉伸环节与DNA样品前处理以及后续DNA单分子信息检测等环节的集成。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：
图1为本发明原理示意图，其中标号1为含有DNA分子和磁性颗粒的液滴、标号2为磁体、标号3为DNA单分子、标号4为磁性颗粒；
图2为通过本发明方法拉伸成直线状的DNA分子的荧光图；
图3为通过本发明方法拉伸后的DNA拉伸率分布图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-3所示，本发明提供了一种用于单分子DNA拉伸的磁控分子梳方法，包括如下步骤：
将含有磁性颗粒的DNA溶液滴加至基底；其中的磁性颗粒为铁粉、四氧化三铁磁性微球、脲醛树脂磁性微球、聚苯乙烯磁性微球、二氧化硅磁性微球和g-三氧化二铁微球中的一种或多种。其中的基底为疏水性修饰基底和正电荷修饰基底中的一种或多种。进一步的，基底的疏水性修饰方法为硅烷化分子熏蒸修饰、疏水聚合物旋涂修饰中的一种或多种。硅烷化分子熏蒸修饰中的硅烷化分子为三甲基氯硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、三甲基氯硅烷中的一种或多种；所述疏水聚合物旋涂修饰中的疏水聚合物为聚甲基内烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、高定向热解石墨、石墨烯、氧化石墨烯、聚四氟乙烯、ZEONEX中的一种或多种。正电荷修饰基底的正电荷修饰方法为涂覆多聚赖氨酸、APES硅化、正电荷吸附(Zn2+、Mg2+、Co3+等)中的一种或多种。
利用磁控驱动磁性颗粒以带动DNA液滴移动；操作者用移动的磁场驱动DNA液滴中掺混的磁性颗粒，使液滴定向移动，从而利用运动的气液固界面将DNA定向拉伸为直线状；其中，所述移动的磁场为通过移动永磁体、磁感线圈产生的移动磁场中的一种或多种。优选的气液固界面的移动速度为100μm/s～1cm/s。
其中，所述DNA液滴移动的过程中，移动的气液固界面将吸附在基底上的单分子DNA拉伸。吸附在基底上的单分子DNA的吸附方式为DNA端部解螺旋暴露的疏水碱基与疏水基底的结合吸附或DNA带负电的磷酸骨架与带正电荷的基底的静电吸附中的一种或多种。其中的解螺旋暴露出DNA端部所述疏水碱基的方法包括使用DNA解旋酶、加热、调控溶液的pH值中的一种或多种；其中，所述pH值为3～11。
实施例：
(1)疏水基底制备。玻璃盖玻片(22×22mm)在通风柜中用70％w/w的硝酸和37％w/w的盐酸以2:1的比例进行浸泡，浸泡一夜以腐蚀所有的荧光污染物。用去离子水和乙醇仔细地从两面清洗干净的玻璃盖玻片。用N2气体对玻璃盖玻片进行干燥。将Zeonex(480R，Zeon，日本)溶于氯苯中过夜，制备1.5％w/v的溶液。将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在氯仿中溶解，制备1.5％w/v的溶液。用玻璃移液管将60μl的Zeonex或PMMA溶液滴在干燥玻璃盖片的中心，并以2500rpm旋转涂覆90分钟(WS-650HZB-223NPP，Laurell，USA)在玻璃片表面涂覆一层疏水高分子膜，从而制备用于DNA分子拉伸和固定的疏水基底。
(2)DNA溶液配制。向DNA溶液中滴加NaOH溶液调整DNA溶液的酸碱度，使得溶液中DNA分子端部发生解螺旋并将疏水的核苷酸碱基暴露出来，向DNA溶液中掺入磁性颗粒，用移液枪将DNA溶液滴加到疏水表面上。DNA分子解螺旋暴露出的疏水性核苷酸碱基与非极性疏水基底通过范德华作用力结合在一起。
(3)驱动液滴拉伸DNA。通过移动磁体来驱动DNA液滴中的磁性颗粒，进而驱动疏水表面上DNA液滴运动。随着液滴气液固界面的退行，气液固界面跨过一段固定在基底上的DNA分子时，利用气液界面力将DNA分子拉伸成直线状。
以上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种用于单分子DNA拉伸的磁控分子梳方法，其特征在于，包括如下步骤：
将含有磁性颗粒的DNA溶液滴加至基底；
利用磁控驱动磁性颗粒以带动DNA液滴移动；
其中，所述DNA液滴移动的过程中，移动的气液固界面将吸附在基底上的单分子DNA拉伸。
2.根据权利要求1所述的一种用于单分子DNA拉伸的磁控分子梳方法，其特征在于：所述的磁性颗粒为铁粉、四氧化三铁磁性微球、脲醛树脂磁性微球、聚苯乙烯磁性微球、二氧化硅磁性微球和g-三氧化二铁微球中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种用于单分子DNA拉伸的磁控分子梳方法，其特征在于：所述的基底为疏水性修饰基底和正电荷修饰基底中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的一种用于单分子DNA拉伸的磁控分子梳方法，其特征在于：所述基底的疏水性修饰方法为硅烷化分子熏蒸修饰、疏水聚合物旋涂修饰中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的一种用于单分子DNA拉伸的磁控分子梳方法，其特征在于：所述硅烷化分子熏蒸修饰中的硅烷化分子为三甲基氯硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、三甲基氯硅烷中的一种或多种；所述疏水聚合物旋涂修饰中的疏水聚合物为聚甲基内烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、高定向热解石墨、石墨烯、氧化石墨烯、聚四氟乙烯、ZEONEX中的一种或多种。
6.根据权利要求3所述的一种用于单分子DNA拉伸的磁控分子梳方法，其特征在于：所述正电荷修饰基底的正电荷修饰方法为涂覆多聚赖氨酸、APES硅化、正电荷吸附(Zn2+、Mg2 +、Co3+等)中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种用于单分子DNA拉伸的磁控分子梳方法，其特征在于：所述利用磁控驱动磁性颗粒具体为：用移动的磁场驱动DNA液滴中掺混的磁性颗粒，使液滴定向移动，从而利用运动的气液固界面将DNA定向拉伸为直线状；其中，所述移动的磁场为通过移动永磁体、磁感线圈产生的移动磁场中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种用于单分子DNA拉伸的磁控分子梳方法，其特征在于：所述吸附在基底上的单分子DNA的吸附方式为DNA端部解螺旋暴露的疏水碱基与疏水基底的结合吸附或DNA带负电的磷酸骨架与带正电荷的基底的静电吸附中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的一种用于单分子DNA拉伸的磁控分子梳方法，其特征在于：解螺旋暴露出DNA端部所述疏水碱基的方法包括使用DNA解旋酶、加热、调控溶液的pH值中的一种或多种；其中，所述pH值为3～11。
10.根据权利要求1所述的一种用于单分子DNA拉伸的磁控分子梳方法，其特征在于：所述的气液固界面的移动速度为100μm/s～1cm/s。
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| CN1144540A (zh) * | 1994-02-11 | 1997-03-05 | 巴斯德研究所 | 借助于移动的凹液面对大分子进行序列比较的方法及应用 |
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| CN101371124A (zh) * | 2006-02-13 | 2009-02-18 | 新加坡科技研究局 | 处理生物样品和/或化学样品的方法 |
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| 李美芝: "《妇科内分泌学》", 30 April 2001, 人民军医出版社 * |
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