无论是在病毒还是在细胞中，DNA皆以紧密压缩的结构存在。比如，在真核细胞中，DNA缠绕在组蛋白周围形成核小体，并进一步凝聚成大家熟知的染色体结构。在哺乳动物精子中，DNA凝聚成更致密的面包圈状（toroid）结构。了解DNA这些紧密排列的结构，并分析它们形成的动力学过程，对认识DNA复制甚至繁殖等生命过程皆有重要的意义。尽管对DNA凝聚的研究有近半个世纪的历史，人们对其动力学仍然知之甚少。

利用单分子操纵技术，研究人员可以在体外模拟单个DNA分子的凝聚。例如，中科院物理研究所李明研究员等在2006年用单分子磁镊研究了多价阳离子作用下DNA的凝聚动力学，利用施加于DNA上的张力使其凝聚速率降低，在有限的时间分辨率下发现了DNA的非连续凝聚行为，并揭示了张力对DNA凝聚动力学的影响[（J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 15040）]。

DNA是半柔性的高分子链，可以用弯曲弹性和扭转弹性描述其力学性质。哺乳动物精子中的DNA凝聚成面包圈状（toroid）的特殊结构以及实验中所观察到的非连续凝聚行为的物理根源是DNA的弯曲弹性。但DNA的扭转弹性对DNA的凝聚有多大影响，还没有明确说法。

最近，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）李伟副研究员与李明研究员、王鹏业研究员以及新加坡国立大学严洁教授合作，用单分子技术研究了DNA的扭转对其凝聚动力学的影响。他们用直径约1微米的超顺磁球将一根约3微米长的DNA悬挂在磁场中，用磁镊操纵单个DNA分子。当DNA的两条链的端点都被固定时（一端固定在显微镜盖玻片上，另一端固定在超顺磁球上），DNA的扭转受到限制。实验发现，DNA在凝聚过程中其扭转弹性势能会不断累积。当扭转弹性能积累到一定程度时，DNA在某一点达到凝聚与去凝聚之间的动态平衡。理论上，DNA的凝聚动力学由高价离子介导的DNA片段间的相互吸引和DNA两端所受的张力共同决定，而扭转弹性势能可调控DNA的凝聚，使系统自动到达凝聚平衡。

该工作首次明确了DNA的扭转弹性对DNA凝聚的影响，加深了人们对体内DNA凝聚的认识。例如，在DNA凝聚体与哺乳动物精子的核基质的结合部位有较大量的拓扑异构酶（一种释放DNA超螺旋的酶）。这些酶在该结合部位起什么作用还不十分清楚。本工作似乎暗示它们可能与DNA的凝聚有关联，用于释放DNA的扭转以便DNA充分凝聚。

相关结果发表在Physical Review Letters上（Phy. Rev. Lett. 2012, 109 218102）。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部973项目和中国科学院的资助。

图1: DNA凝聚单分子实验示意图以及DNA分子在有／无扭转限制下的不同凝聚行为。DNA的凝聚在实验上表现为其长度随时间减小，每一个台阶对应于DNA在toroid上凝聚一圈。虚线为理论预言的在扭转限制条件下DNA的最大凝聚程度。

图2: 理论模型表明，DNA在凝聚中积累的扭转弹性能使DNA的凝聚很快达到力学平衡，且该平衡位置（Ne）是DNA所受张力的函数。初始条件下系统在M1点的能量高于在M2点的能量，随着凝聚圈数（N）的增加，能量差逐渐变小并最终达到平衡。