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为了执行多种多样的生物学功能，核酸(包括DNA、RNA和RNA-DNA杂合链)拥有动态的多种结构。同时由于分子量巨大且和细胞内多种组分相互作用，核酸链通常又会受到复杂的胞内应力和扭矩的影响。因此，研究核酸的动态结构以及其结构的受力调控具有重要的生物学意义。单分子磁镊技术作为一种重要的单分子力学操纵工具，可以对生物大分子进行力学拉伸和扭转，是单分子核酸结构和功能研究的主要手段之一。
为了克服传统设计中以dsDNA为组装单元，使用复杂的工具酶，通过复杂的多步骤来制备用于单分子实验的核酸样品的局限性，我们开发了以ssDNA/ssRNA作为组装单元，基于单方向PCR(OSP)和体外转录的单链扩增-退火(AA assay)的两步法设计思路，更便捷地制备了多种以前使用过的核酸样品，也制备了多种首次设计的复杂的核酸样品，与传统方法相比，AAassay两步法的优点是高效性、通用性和简便性。
DNA在65pN左右的拉力下，会发生过拉伸相变而形成多种过拉伸结构。我们制备了长链RNA-DNA杂合双链(RDH)，并使用自主搭建的横向磁镊装置进行过拉伸实验。实验结果显示，RDH也具有类似的过拉伸相变，根据溶液盐浓度和温度的不同，既可以发生无迟滞的B-to-S相变形成S-formRDH，也可以发生迟滞的末端peeling解链形成一条受力的ssDNA和一条不受力且形成链内二级结构的ssRNA。另外，通过比较RDH和DNA的无迟滞相变，我们发现RDH的相变过程协同性更差，长度变化也更短，而且形成的S-RDH相比于S-DNA，碱基堆积稳定性也更差。
以前的文献报道胞嘧啶甲基化可能导致DNA变硬、不变或变软。为了解决该学术争论，我们制备了三种胞嘧啶甲基化水平的长链DNA样品，使用单分子磁镊进行了系统地弹性测量，并用eWLC模型拟合了力-伸长曲线(Force Extension Curve，FEC)。我们发现，胞嘧啶甲基化对DNA弯曲弹性的影响与溶液环境有关。在低浓度的单价盐溶液下，甲基化修饰后的DNA仅表现为轮廓长度减小约0.5%；当溶液中分别引入四种高价阳离子(CoHex3+、Spermidine3+、Spermine4+和PLL6+)时，三种DNA样品的弯曲弹性都明显增强并与高价阳离子浓度相关，主要表现为弯曲持久长度和轮廓长度都显著减小；另外，相比于其他三种高价阳离子，在CoHex3+溶液条件下，胞嘧啶上甲基基团的引入能够一定程度上增加DNA的弯曲弹性。
在哺乳动物精子中，DNA是高度CpG甲基化的，并凝聚成螺旋管结构。在体细胞中，DNA的CpG甲基化受到精致调控，并包装成染色体。为了研究CpG甲基化对DNA-DNA相互作用的影响，我们制备了甲基化修饰程度不同的三明治样结构的dsRNA-dsDNA-dsRNA样品，利用双链RNA的抗凝聚特性来保证中间的DNA部分在凝聚前后始终能与表面保持一定的距离，从而有效防止DNA与表面的相互作用。通过重复的力学拉伸测量，我们发现，在四种高价阳离子溶液环境中，DNA凝聚都是以成核后迅速坍缩(Nucleation-Collapse)的形式一步完成的，并且其成核力要远小于以前分步凝聚的实验过程中测得的凝聚力。在DNA完全凝聚后通过逐渐增加拉力，我们首次观测到了旋转不受限的DNA样品在恒力作用下的凝聚平衡态跳变过程。同时，实验结果显示，DNA的凝聚效应除了与高价阳离子浓度有关，还与离子价态有关，离子价态越高，诱导DNA发生凝聚的效应就越强。
结合双链DNA在相同溶液环境下的弹性数据和凝聚平衡力的测量结果，我们计算了CpG甲基化对DNA-DNA吸引能(?Gchem)的影响，我们发现，CpG甲基化显著增强了DNA-DNA吸引能，促进了DNA凝聚效应。高价阳离子浓度越低，CpG甲基化的效果越明显。每个CpG甲基化可以使DNA-DNA吸引能增加0.2kBT。对于CG含量为56.8%的dsDNA，精胺(Spermine4+)诱导的DNA凝聚反应中CpG甲基化可增加DNA-DNA吸引能达32%；六聚赖氨酸(PLL6+)诱导的DNA凝聚反应中，CpG甲基化可增加DNA-DNA吸引能达9%。这些定量化的结果有助于我们从热力学角度理解CpG甲基化在哺乳动物精子发育和染色质活性调控中的重要作用。
最后，鉴于核酸发卡结构的重要生理意义，我们使用单分子磁镊系统地研究了序列相同的DNA、RDH和RNA三种发卡结构的热力学和平衡态动力学稳定性。与DNA样品相比，RDH发卡虽然具有相似的热力学稳定性，但是其折叠和去折叠的速度要快1个数量级以上，为理解转录过程中R-loop的形成提供了动力学解释。加入二价金属离子后，我们发现Mg2+除了能显著增加RNA发卡的热力学稳定性外，还能够特异地以序列非依赖的方式减慢RNA发卡平衡态跳变的速度，这种Mg2+与RNA特殊的相互作用对理解Mg2+作为配体调控RNA高级结构的形成并行驶正常生物学功能的提供了新的思路。
为了克服传统设计中以dsDNA为组装单元，使用复杂的工具酶，通过复杂的多步骤来制备用于单分子实验的核酸样品的局限性，我们开发了以ssDNA/ssRNA作为组装单元，基于单方向PCR(OSP)和体外转录的单链扩增-退火(AA assay)的两步法设计思路，更便捷地制备了多种以前使用过的核酸样品，也制备了多种首次设计的复杂的核酸样品，与传统方法相比，AAassay两步法的优点是高效性、通用性和简便性。
DNA在65pN左右的拉力下，会发生过拉伸相变而形成多种过拉伸结构。我们制备了长链RNA-DNA杂合双链(RDH)，并使用自主搭建的横向磁镊装置进行过拉伸实验。实验结果显示，RDH也具有类似的过拉伸相变，根据溶液盐浓度和温度的不同，既可以发生无迟滞的B-to-S相变形成S-formRDH，也可以发生迟滞的末端peeling解链形成一条受力的ssDNA和一条不受力且形成链内二级结构的ssRNA。另外，通过比较RDH和DNA的无迟滞相变，我们发现RDH的相变过程协同性更差，长度变化也更短，而且形成的S-RDH相比于S-DNA，碱基堆积稳定性也更差。
以前的文献报道胞嘧啶甲基化可能导致DNA变硬、不变或变软。为了解决该学术争论，我们制备了三种胞嘧啶甲基化水平的长链DNA样品，使用单分子磁镊进行了系统地弹性测量，并用eWLC模型拟合了力-伸长曲线(Force Extension Curve，FEC)。我们发现，胞嘧啶甲基化对DNA弯曲弹性的影响与溶液环境有关。在低浓度的单价盐溶液下，甲基化修饰后的DNA仅表现为轮廓长度减小约0.5%；当溶液中分别引入四种高价阳离子(CoHex3+、Spermidine3+、Spermine4+和PLL6+)时，三种DNA样品的弯曲弹性都明显增强并与高价阳离子浓度相关，主要表现为弯曲持久长度和轮廓长度都显著减小；另外，相比于其他三种高价阳离子，在CoHex3+溶液条件下，胞嘧啶上甲基基团的引入能够一定程度上增加DNA的弯曲弹性。
在哺乳动物精子中，DNA是高度CpG甲基化的，并凝聚成螺旋管结构。在体细胞中，DNA的CpG甲基化受到精致调控，并包装成染色体。为了研究CpG甲基化对DNA-DNA相互作用的影响，我们制备了甲基化修饰程度不同的三明治样结构的dsRNA-dsDNA-dsRNA样品，利用双链RNA的抗凝聚特性来保证中间的DNA部分在凝聚前后始终能与表面保持一定的距离，从而有效防止DNA与表面的相互作用。通过重复的力学拉伸测量，我们发现，在四种高价阳离子溶液环境中，DNA凝聚都是以成核后迅速坍缩(Nucleation-Collapse)的形式一步完成的，并且其成核力要远小于以前分步凝聚的实验过程中测得的凝聚力。在DNA完全凝聚后通过逐渐增加拉力，我们首次观测到了旋转不受限的DNA样品在恒力作用下的凝聚平衡态跳变过程。同时，实验结果显示，DNA的凝聚效应除了与高价阳离子浓度有关，还与离子价态有关，离子价态越高，诱导DNA发生凝聚的效应就越强。
结合双链DNA在相同溶液环境下的弹性数据和凝聚平衡力的测量结果，我们计算了CpG甲基化对DNA-DNA吸引能(?Gchem)的影响，我们发现，CpG甲基化显著增强了DNA-DNA吸引能，促进了DNA凝聚效应。高价阳离子浓度越低，CpG甲基化的效果越明显。每个CpG甲基化可以使DNA-DNA吸引能增加0.2kBT。对于CG含量为56.8%的dsDNA，精胺(Spermine4+)诱导的DNA凝聚反应中CpG甲基化可增加DNA-DNA吸引能达32%；六聚赖氨酸(PLL6+)诱导的DNA凝聚反应中，CpG甲基化可增加DNA-DNA吸引能达9%。这些定量化的结果有助于我们从热力学角度理解CpG甲基化在哺乳动物精子发育和染色质活性调控中的重要作用。
最后，鉴于核酸发卡结构的重要生理意义，我们使用单分子磁镊系统地研究了序列相同的DNA、RDH和RNA三种发卡结构的热力学和平衡态动力学稳定性。与DNA样品相比，RDH发卡虽然具有相似的热力学稳定性，但是其折叠和去折叠的速度要快1个数量级以上，为理解转录过程中R-loop的形成提供了动力学解释。加入二价金属离子后，我们发现Mg2+除了能显著增加RNA发卡的热力学稳定性外，还能够特异地以序列非依赖的方式减慢RNA发卡平衡态跳变的速度，这种Mg2+与RNA特殊的相互作用对理解Mg2+作为配体调控RNA高级结构的形成并行驶正常生物学功能的提供了新的思路。