修元健康网细胞内的电学、化学和力学信号系统是协同作用的，它们共同支撑着细胞的生命功能。电学和化学信号系统已经被广为研究，但是细胞的力学信号系统由于缺乏有效的研究手段，一直难以揭开其奥秘。研究发现，细胞在体内的拥挤环境中，不仅要通过挤压和推挤来争夺生存的空间，同时，细胞的生命活动也会受到细胞外基质（ECM）的挤压、拉伸、弯曲和拉扯等力学过程的影响。虽然细胞上的每个受体所承受的力学信号非常微弱，只有几pN到几十pN的量级，但是这些力学信号却能够对胚胎发育、肿瘤迁移、免疫识别等多个过程产生重大的影响。因此，如果能够在空间和时间上精确地测量和表征细胞的力学信号，就能够帮助我们更好地理解细胞是如何利用微小的力学信号来引发和改变相关的生物化学信号的。
近十年来，人们提出了基于分子力学传感器的力学可视化技术，使得我们能够在分子水平上探索细胞的力学信号传递过程和机制。但是，目前已经报道的各种分子力学传感器都难以同时满足测量范围和可逆测量的要求，这给我们对细胞力学信号传导的研究带来了限制。
2021年5月31日，武汉大学高等研究院刘郑课题组在 Nature Cell Biology 期刊上发表了一篇名为：A Reversible shearing DNA probe for visualizing mechanically strong receptors in living cells 的研究论文。
该论文研究了一种基于DNA结构的新型分子荧光张力探针，并将其应用于活细胞的力学可视化研究。该探针综合了目前已有的DNA力学传感器的多种优势，能够可逆地对细胞膜上单个蛋白所传递的4-60 pN范围的力学信号进行长时间的成像，这是之前可逆传感器测量范围的3倍（该范围几乎涵盖了大部分的力学信号传导过程）。而且，该分子结构还可以进一步改造成光控力学探针，通过光控切割来改变DNA力学探针的力学结构，使其从可逆状态瞬间转变为不可逆状态，从而可以用于限制细胞力学的大小，研究特定的力学信号通路的生物学作用。
利用这类力学探针，研究人员展示了可以在不干扰粘附生物学的前提下，轻松地区分出蛋白受体在力学传递过程中的物理差异，并对这些力学信号进行长时间的可视化和实时的追踪。他们观察到了细胞迁移过程中存在一类数量少、但传递着更强力学信号的整合素受体蛋白团簇（称为“力学热点”），并进一步揭示了这些“力学热点”调节了细胞的黏附行为、黏着斑的生长过程以及细胞的迁移等重要的细胞生物学过程。
首先，研究团队设计了一种可逆的剪切模式DNA发卡结构的力学探针，其双链的承受力阈值可以通过改变发卡的力学结构而进行大范围的调节，打开该DNA结构所需的力学信号由受力的位置和DNA发卡的自由能共同决定。
为了制备出该探针，作者设计了一套该DNA探针的化学修饰、合成和纯化方案。当DNA发夹处于折叠状态时，其探针的荧光团被淬灭剂（BHQ）和Au NP通过荧光共振能量转移（FRET）和纳米表面能量转移（NSET）两种方式高效地淬灭，从而提高了张力探针的力学灵敏度。一旦细胞通过探针上的配体对ECM施加力学信号，并达到该探针的展开阈值力，DNA探针结构展开分离荧光分子和淬灭剂，立即点亮该探针。通过这一过程，可以将单个蛋白质所传递的微小的力学信号转化为荧光信号进行观测。由于发卡结构中loop结构的存在，当牵引力降低到一定程度时，DNA发卡结构会自动关闭，从而可以对细胞的力学信号进行实时的成像。
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