物理学院 School of Physics, Nanjing University

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王炜教授、曹毅教授研究团队在生物分子力学特性研究方面取得新进展

2017年08月23日

物理学院王炜教授、曹毅教授研究团队在生物分子力学特性研究方面取得新进展,发现了一种受镁离子调控的具有力学各向异性的RNA三通(Three-way junction)结构,相关结果以“Mg2+-Dependent High Mechanical Anisotropy of Three-Way-Junction pRNA as Revealed by Single-Molecule Force Spectroscopy”为题,发表于2017年7月的《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition, 2017, 56, 9376 –9380 DOI: 10.1002/anie.201704113)上。该论文的第一作者为南京大学物理学院2015级博士研究生孙阳,通讯作者为王炜教授和曹毅教授。南京大学的秦猛教授及邸维帅、李一然、黄文茂、王鑫同学也对该项工作作出重要贡献。

在人体中各组织和器官往往呈现出力学的各向异性。例如血管的径向力学强度远远超过其轴向力学强度,这对其承受一定血压正常工作具有重要意义。但人工设计的生物材料往往各向同性。通过生物分子设计力学各向异性的材料仍然是一项巨大的挑战。以往的研究经验总是把寻找各向异性的材料局限在蛋白质上,而RNA因为其缺少长程的相互作用,被认为力学强度较弱,且不具备各向异性的特点。经过对不同RNA结构的比较和总结,王炜教授研究团队发现一种特殊的RNA结构可能具有力学各向异性。他们发现噬菌体j29的DNA组装马达的核心部分的RNA三通(3WJ-pRNA)结构单元具有特殊性。该结构由三条链组成三个螺旋(helix)结构,其中H1、H2同轴,H3与H1、H2呈90度排列(图一)。而且其天然状态包含两个镁离子结合位点。这种三链两离子配位结构显然具有不对称性。特别是两个镁离子结合位点距离很近,在拉伸时可能具有协同性,从而使得在不同拉伸方向力学强度各异。他们进一步通过单分子力谱的实验验证了这一猜想。在实验研究的四个不同拉伸方向上,3WJ-pRNA的解折叠力最大可达到219 pN,而最小仅为47 pN。而且其力学各向异性可受到镁离子结合解离的可逆调控。这是首次发现RNA分子也可呈现出力学各项异性,为制备各项异性的生物材料提供了新的思路。同时,他们还通过对不同拉伸方向RNA的解折叠的能量面进行了精确刻画,发现3WJ-pRNA的力学各向异性是由于在拉伸过程中两个镁离子结合位点不同协同性所致。这也是生物分子力学各项异性的新机制。


图一:3WJ-pRNA的结构和不同拉伸方向的力学强度
 

 


图二:3WJ-pRNA在不同拉伸方向下的解折叠力与拉伸速度之间的关系

该工作得到人工微结构科学与技术协同创新中心和固体微结构物理国家重点实验室的支持,国家自然科学基金、科技部973计划以及南京大学登峰人才计划的资助。

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