ABSTRACT Accurate localization of biomolecules is pivotal for understanding biological processes. Utilizing the atomically flat surface of 2D materials offers a promising route to achieve this without the need for tethering or constraining. Here we comprehensively investigate the binding and diffusion of DNA on hexagonal boron nitride (hBN) surfaces. Our findings reveal non-specific binding of DNA to pristine hBN, with subsequent diffusion and confinement within the 2D plane. Through single-molecule experiments and computational techniques, we explore DNA dynamics, and the effects of defects, step edges and domain boundaries on the motion, which gives insights on the interactions between solid-state surfaces and biomolecules. By engineering a narrow hBN ribbon structure, we enhance confinement, demonstrating its potential in nanofluidic guiding of biomolecules. Our 2D platform serves as a proving ground for next generation high-throughput single-molecule manipulation techniques for enabling applications in biotechnology and nanotechnology.

Abstract The intricate interplay between DNA and proteins is key for biological functions such as DNA replication, transcription, and repair. To better understand these interactions, it is crucial to develop tools to study DNA-protein complexes with high spatial and temporal resolution. Here, we use the vertical orientation that DNA adopts on graphene and investigate its interactions with proteins via energy transfer from a probe dye to graphene, achieving spatial resolution down to the Ångström scale. We measured the bending angle of DNA induced by adenine tracts, bulges, abasic sites and the binding of Escherichia coli endonuclease IV with unprecedented precision and millisecond time resolution. Additionally, we observed the translocation of the O 6 -alkylguanine DNA alkyltransferase along double-stranded DNA, reaching single-base pair resolution and detecting an affinity for adenine tracts. Overall, we foresee that this method will become a widespread tool for the dynamical study of nucleic acid and nucleic acid-protein interactions.

ABSTRACT Poly(ADP-ribose) (PAR), as part of a post-translational modification, serves as a flexible scaffold for noncovalent protein binding. Such binding is influenced by PAR chain length through a mechanism yet to be elucidated. Structural insights have been elusive, partly due to the difficulties associated with synthesizing PAR chains of defined lengths. Here, we employ an integrated approach combining molecular dynamics (MD) simulations with small-angle X-ray scattering (SAXS) experiments, enabling us to identify highly heterogeneous ensembles of PAR conformers at two different, physiologically relevant lengths: PAR 15 and PAR 22 . Our findings reveal that numerous factors including backbone conformation, base stacking, and chain length contribute to determining the structural ensembles. We also observe length-dependent compaction of PAR upon the addition of small amounts of Mg 2+ ions, with the 22-mer exhibiting ADP-ribose bundles formed through local intramolecular coil-to-globule transitions. This study illuminates how such bundling could be instrumental in deciphering the length-dependent action of PAR. GRAPHICAL ABSTRACT