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非平衡软物质特集: 看见单条DNA与锁链

物质由原子与分子所组成的概念是近代科学最重要的发展之一, 但是因为分子尺度的大小远小于光学解晰度, 希望能看到单个分子的运动在二十年前还是奢侈的梦想. 近几年因为萤光显微技术的发展, 目前几乎可以对任何生物分子进行标定, 可以在萤光显微镜下看到所标定分子的运动, 也因为这样, 观测单分子运动就变成一种新的研究方式, 用来得到一些量测巨观整体性质所得不到的资讯. 

DNA是生命最重要的分子, 由长链的核酸分子构成, 虽然DNA的结构资讯已经可以从结晶结构得到, 但是如果能看到单条DNA怎么运动, 怎么对外力有所反应(例如流体的剪切力或是电场等)不仅得能到关于DNA分子的资讯, 也可以协助例如发展分离DNA等实际的应用. 下面的影片是一个特殊的尝试, 希望能看清楚DNA是怎么运动的. 

有一类的萤光染剂在跟DNA分子结合的时候才会发出强烈的萤光, 所以只要在DNA溶液里加入一点这种染剂, 不需要额外的分离洗淨染剂程序就可以看到DNA分子的萤光影像. 一般的DNA影像因为DNA处在3维的空间, 并不容易观测, 一些研究人员利用很小的空间来侷限DNA在一个平面或是小通道来研究DNA的动态. 不过那样的实验因为要设计容器, 所以并不容易. 在影片中DNA都在一个表面上, 表面有用某些化学处理让表面带有正电荷, 因为DNA带有负电荷, 所以只要表面电荷的强度控制的好, 就可以让DNA类似附着在表面上可以又还可以活动. 利用这种方式DNA的动态就可以清楚的展示出来. 影片中可以看到DNA分子虽然长, 可是不像绳子而是像锁链一样. 每一段之间都异常柔软好像可以独立运动那样. 因为水分子的随机撞击, DNA这种高分子的布朗运动就变成了这种模样.