幾十年來，科學家們對 DNA 複雜性的認識一直是錯誤的

納米孔是非常小的開口，允許單鏈 DNA 通過，同時產生電信號。這些信號幫助研究人員詳細分析遺傳物質。到目前為止，這些信號的重要特徵一直被誤解。

為什麼科學家認為 DNA 會形成結？

多年來，研究人員相信納米孔實驗中看到的複雜電模式是由形成 DNA 的結引起的。這個想法很容易實現。如果鞋帶纏結，將鞋帶穿過狹窄的孔就會變得不均勻，科學家們推測 DNA 也有同樣的行為。人們認為任何不規則的信號都意味著線在穿過毛孔時打結了。

幾十年來，這種解釋一直影響著納米孔數據的解釋方式。

解釋信號的是波動性，而不是合約

這項新研究發表在《物理評論》雜誌上，在納米孔運輸過程中，DNA 經常盤繞自身，而不是形成真正的結。這些扭曲的結構被稱為 plectonemes，類似於盤繞的電話線而不是打結的結。

這種區別很重要，因為波動和結以非常不同的方式影響電信號。

“我們的實驗表明，當DNA被拉過納米孔時，內部的離子流會扭曲DNA鏈，積累扭矩並將其扭曲成電子，而不僅僅是結。這種‘隱藏’的扭曲結構在電信號中具有獨特的、持久的特徵，與更短暫的結特徵形成鮮明對比，”卡文迪什實驗室的主要作者Fei Cheng博士解釋道。

實驗指出缺失的機制

為了得出這個結論，研究人員使用玻璃納米孔和氮化矽在各種電壓和條件下測試了 DNA。他們指出，當多條 DNA 同時佔據一個孔時，所謂的“糾纏”事件發生的頻率超出了結理論所能解釋的範圍。

隨著電壓增加和 DNA 鏈變長，這些事件變得更加頻繁。這種模式表明還有另一種力量在起作用。

流動的水如何扭曲DNA

研究小組發現這種扭曲來自電滲流，這是納米孔內電場驅動的水的運動。當水流過 DNA 時，它會對螺旋分子施加旋轉力。該扭矩沿著帶材傳遞，導致孔隙外部的部分扭曲成褶皺。

與在拉力作用下拉緊並通常很快消失的結不同，褶皺可以變大並在整個運輸過程中一直存在。應用真實力和扭矩的計算機模擬證實了這種行為，並表明果體的形成取決於 DNA 沿其長度傳遞扭矩的能力。

阻止波動證實了這一發現

為了進一步驗證這個想法，研究人員創造了“切割”DNA，即在特定點處斷裂的DNA鏈。這些不連續性阻止了扭結沿著分子的長度傳播，並在實驗過程中急劇減少了 plectoneme 的形成。

這一結果證實了扭轉傳播對於該過程至關重要。它還暗示了納米孔可用於檢測 DNA 損傷的新方法，因為鏈斷裂會干擾扭曲行為。

以新的精度讀取 DNA 信號

“這裡真正強大的是，我們現在可以根據納米孔信號中的結和折疊持續的時間來區分它們，”同樣來自卡文迪什實驗室、該研究的合著者 Ulrich F. Keyser 教授說。

“結像快速尖峰一樣快速通過，而薄片則徘徊並產生擴展信號。這為更豐富、更準確地讀取 DNA 調控、遺傳完整性和潛在損傷提供了一條途徑。”

對生物學和技術的更廣泛影響

這些發現超出了納米孔傳感的範圍。在活細胞中，當酶作用於 DNA 時，DNA 會定期扭曲和纏結，結和皮線組在基因組組織和穩定性中發揮著重要作用。了解這些結構如何形成可以改善細胞 DNA 行為模型。

對於診斷和生物傳感，檢測或控制 DNA 扭曲的能力可能會帶來更靈敏的工具，能夠識別微妙的遺傳變化和疾病相關 DNA 損傷的早期跡象。

“從納米技術的角度來看，這項研究強調了納米孔的力量，不僅作為複雜的傳感器，而且作為以新方式操縱生物聚合物的工具，”基澤總結道。