单分子荧光共振能量转移（smFRET）技术以其亚纳米级的分辨率，在观察分子动态方面取得了显著成就。然而，其动态范围通常局限于10纳米以内，限制了对更大尺度分子运动的研究。为了突破这一瓶颈，2024年12月8日，《Nature Methods》杂志发表了一篇题为“Single-molecule dynamic structural biology with vertically arranged DNA on a fluorescence microscope”的研究报告，介绍了基于石墨烯能量转移（Graphene Energy Transfer, GET）的垂直DNA排列技术（GETvNA）。这项创新方法不仅扩展了单分子研究的应用边界，还为基因调控和新型生物传感器的发展提供了强有力的技术支持。

 

**二、GETvNA技术原理与优势**

 

**1. 技术原理**

 

GETvNA通过将DNA分子垂直附着于石墨烯表面，利用荧光染料与石墨烯间的能量转移效应，实现了对数十纳米范围内分子运动的精准追踪。具体来说，研究人员在DNA分子末端设计了一段5个核苷酸长的单链DNA（overhang），使双链DNA能够非共价地附着在石墨烯表面。这种方法大幅提升了样品制备的稳定性和方向性，同时降低了背景信号干扰。

 

**2. 动态范围与灵敏度**

 

相比于smFRET，GETvNA具备更大的动态范围（10至30纳米），并且能以单碱基对为单位解析蛋白质与DNA的相互作用过程。实验表明，垂直排列的DNA在检测100个碱基对长度的双链DNA时表现出更高的重复性和灵敏度，使得测量精度达到亚Å级。此外，GETvNA还能够捕捉到长度仅相差一个碱基对的DNA分子在荧光信号上的显著差异，为分子机器的研究提供了无与伦比的工具。

 

**三、GETvNA的应用领域**

 

**1. 基因调控机制**

 

GETvNA首次实现了对转录因子结合DNA引发构象变化的量化分析。研究发现，不同转录因子能够诱导DNA不同程度的弯曲，其幅度与基因启动子的活性高度相关。通过动力学分析，这些构象变化揭示了基因表达效率的分子基础。此外，GETvNA还能实时监控DNA修复和转录过程中关键步骤的时间依赖性，例如，多种DNA修复蛋白的协同作用在不同阶段表现出显著的停顿模式，为解析修复机制提供了关键信息。

 

**2. 生物传感与纳米技术**

 

石墨烯因其高透明度和优异的能量转移特性，不仅在单分子研究中表现卓越，还展现了广泛的应用前景。基于GETvNA的高灵敏度生物传感器成功检测到了低至纳摩尔级的DNA构象变化，为分子诊断开辟了新路径。在纳米技术领域，GETvNA的动态追踪能力可应用于监控分子机器或纳米机器人的运动，如智能药物释放系统中，GETvNA能够实时监控药物载体的路径和释放效率，提升治疗精准性。

 

**四、未来展望**

 

尽管GETvNA技术已经取得了重要突破，但在实际应用中仍面临一些挑战，如石墨烯表面结构缺陷可能导致的数据一致性下降。为此，研究人员正在探索更均质化的石墨烯制备方法，并引入稳定性更高的荧光染料和低背景噪声的光学成像系统，以进一步提升GETvNA的灵敏度和可靠性。随着人工智能驱动的数据分析技术的结合，从复杂实验数据中提取关键信息的能力也将得到增强，为解读分子动态提供更多可能性。

 

总之，GETvNA技术为观察分子动态提供了一个全新的窗口，它不仅有助于揭示基因表达背后的分子机制，还在生物医学、药物开发和纳米技术等领域展现出巨大的应用潜力。随着石墨烯技术的不断发展，GETvNA有望推动生命科学研究进入新的高度，为未来的科学探索注入强大动力。