2025年09月03日上午，受生命中心陈知行研究员邀请，来自德国慕尼黑大学（Ludwig-Maximilians-University Munich）化学系的Philip Tinnefeld教授在北京大学吕志和楼B101报告厅带来一场题为“Lifting the Synergies of Super-Resolution Microscopy and DNA Nanotechnology”的报告。

Tinnefeld教授课题组致力于发展新型单分子成像技术与创新分子工具以理解生物大分子的活动过程，在本次报告中，Tinnefeld教授主要分析了两方面的工作：

（1）GETvNA（Graphene Energy Transfer with vertical Nucleic Acids）：利用染料→石墨烯共轭体系能量转移的距离依赖性与 dsDNA 在石墨烯表面的自发垂直取向，实现埃级轴向定位精度与亚秒级时间分辨的DNA构象动态记录。可以实现直接在荧光显微镜下量化 DNA 构象/弯曲以及蛋白在 DNA 上的动态（A-tract、bulge、AP 位点、Endo IV 诱导弯曲；AGT 沿 DNA 的单碱基分辨转运动态）。

（2）基于布朗运动的DNA 计算（Brownian DNA Computing）：在 DNA 折纸上以耦合“分子天平（molecular balance）”构成分子处理单元（MPU），将热涨落整流为逻辑输出，无需额外能量输入即可实现布尔与非布尔逻辑（含半加器、多输入门、以及两输入四输出的非布尔门，单一门内集成全部基本逻辑），并展示低能耗、并行和与生物体系接口的潜力。

Tinnefeld教授首先整体介绍了实验室围绕超分辨成像以DNA折纸技术构建纳米标尺的研究体系，随后着重介绍了近期开展的两项创新性工作:基于石墨烯能量转移的单分子DNA构象动态研究和基于布朗运动的DNA计算系统。

基于单分子荧光共振能量转移（smFRET）的成像技术一直是生物大分子动态解析领域的重要工具之一。Tinnefeld教授课题组发现了一种新型的单分子FRET现象，即双链DNA的单链部分可吸附在石墨烯上，并且刚好使得双链DNA部分垂直于石墨烯平面并与显微镜轴向方向对齐。这样一来，双链DNA上不同高度标记的荧光染料与石墨烯之间的能量转移就可以被显微镜读出，从而实现DNA弯曲角度等动态过程的精密测量（图1）。

图1 GETvNA概念示意图 dsDNA垂直排列在石墨烯表面，染料荧光寿命与距离石墨烯的距离呈d-4依赖关系

Tinnefeld教授团队测量了单分子荧光寿命，并获得了染料与石墨烯之间距离z：

其中，τ和τ₀代表存在和不存在石墨烯时的荧光寿命，d₀是染料在50%能量转移效率时的高度。

图2 含有凸起或者A-tract结构的DNA弯曲角度测量

基于此，Tinnefeld教授团队进一步可以测量含有凸起的DNA的弯曲程度（θ），或者含有A-tract结构的DNA弯曲程度(图2)。所研究的3A、5A、7A导致的凸起结构的动态寿命分布计算得出弯曲的角度以及分布亚群，所得结果与之前文献所报道的smFRET和NMR测量数据一致，并且显示出于另一项计算研究相符的构象分布模式。

进一步，他们还研究了一种大肠杆菌AP内切酶IV（Endo IV）诱导的DNA弯曲的动态过程。在AP位点上观察到两态/三态切换，揭示了生理条件下DNA与蛋白作用的多稳态特性。

特别地，Tinnefeld教授还提到，这项工作起源于一次“并未获得他允许的实验尝试”：“如果我的学生告诉我他要这样做这个实验的话我很可能会阻止他进行这个实验，因为我觉得这没意义，还好他没告诉我”。并鼓励在座的同学，多进行“不告诉导师”的实验尝试。

图3 Molecular Balance作为基本运算单元的原理示意图

在第二项工作中，Tinnefeld 教授介绍了利用DNA纳米机器进行基于布朗运动的计算单元设计：利用“分子天平（molecular balance）”作为最小计算单元：两侧 7-nt 结合位点（BS，其中一侧带有荧光淬灭试剂）与带染料指针（PO）在室温下随机绑定/解离（明/暗随机切换）；当输入链阻断一侧 BS（带有荧光淬灭试剂的一侧） 时，体系态空间减少，热涨落被整流为稳定明/暗输出，从而完成逻辑判别（图3）。

以这种分子处理单元为基础，可以设计更为复杂的串联耦合与多输入设计，构建计算的逻辑系统，教授介绍了团队已在同一折纸平台上实现AND/OR/NOT 全套基本门并构建了NAND/NOR/XOR/XNOR 派生门；进一步完成半加器（S、C 双输出）与五输入门等复杂操作（图4）。

图4 多种DNA计算单元基础逻辑门的构建

报告后，老师和同学们对两个研究都表现出了极大的兴趣，分别在双链DNA在石墨烯上的动态细节、内切酶和DNA相互作用的动态过程、DNA分子机器的信号传递与控制等方面提出了十分有意义的问题，Tinnefeld教授对每个问题也进行了十分详细的回答。此次报告，让师生们对DNA纳米技术与超分辨成像的结合研究有了进一步的了解，开拓了视野。