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DNA 在拥挤的细胞环境中会发生弯曲、缠绕和交叉，这些复杂的 ” 结 ” 结构可能促进或阻碍生命活动。传统教学中常将 DNA 描述为整齐的梯状螺旋结构，但实际情况要复杂得多。
谢菲尔德大学生物物理学教授 Alice Pyne 领导的研究团队开发出一种突破性方法，能够在单分子水平上可视化 DNA 交叉，并精确确定每条链的相对位置。这项创新技术将高分辨率成像与智能软件相结合，大幅提高了研究效率。
研究团队采用原子力显微镜（AFM）对 DNA 进行成像，随后通过深度学习算法追踪每个分子的路径，识别交叉点并标记其上下关系。这种方法可以恢复单个 DNA 环的拓扑结构、长度和局部形状，精度达到亚分子级别。
原子力显微镜使用纳米级探针感知表面，这一特性使其特别适合在流体环境中进行单分子研究。与基于光学的显微镜不同，AFM 无需染色即可在接近细胞的条件下对 DNA 进行映射。
研究团队通过测量每条链交叉处的高度轮廓，并应用半高全宽比较来确定 DNA 链的相对位置，进一步提高了技术的准确性。特别是在交叉点非常接近的情况下，这种方法表现出显著优势。
这项技术对疾病研究和药物开发具有重要意义。细胞依赖 DNA 拓扑结构来管理基因访问并保持基因组完整性。当这种平衡被打破时，可能导致损伤累积和修复系统紊乱。精确识别 DNA 交叉的能力可以帮助研究人员了解细胞拓扑控制的失效机制，并为药物研发提供关键信息。
研究团队在多种实验环境中测试了该技术的准确性，包括在 Xenopus 卵提取物中形成的复制中间体，以及使用 E.coli 蛋白质创建的特定 DNA 结和连接。结果显示，该方法可以以约 1% 的精度测量简单 DNA 环的大小，并能区分相似的五交叉结类型。
这项突破性研究为 DNA 纳米技术设计和药物开发提供了新的工具。通过精确分类单分子缠结，研究人员可以更好地理解 DNA 在复制、转录和解连环过程中的行为。该研究成果已发表在《自然通讯》杂志上，为未来 DNA 研究开辟了新的方向。
