同源重组是发生于两条相似或相同DNA链之间的遗传信息的重组,同时,也是DNA损伤修复的重要途径之一。对保证基因组完整性和产生遗传多样性有着重要意义。而同源重组过程需要重组酶的催化完成,其中大肠杆菌中的重组酶RecA作为典型成员得到了广泛研究。近年来,单分子技术不断快速发展,单分子荧光共振能量转移技术,磁镊技术,光镊技术等具有实时、直观、高精度等优点,被越来越广泛地运用到生物研究领域,更好地研究一些传统生化方法难以捕捉和观测的过程。然而,在同源重组的链交换过程中,每反应一个核苷酸的长度变化平均约为0.17nm,而同时参与反应的核苷酸数目可达上百个碱基,目前尚无合适的技术可以同时兼顾如此高的分辨率要求及测量范围。利用上述研究技术手段对同源重组过程的研究结果认为,同源重组可以分为初始识别和后续链交换扩展两个过程,至于链交换过程中如何搜寻同源序列,以及如何完成后续扩展至今尚无清晰的结论,甚至在如扩展的速率及特征长度等方面还存在一些争议性研究。本文的第一部分介绍了一种用于研究同源重组过程的改进方案,利用传统磁镊结合DNA发夹结构的方法就可以观测同源重组所涉及的多个动态过程过程。在满足大观测范围的同时,以较好的空间分辨率(<5 nm)来观察各反应细节。利用该方法,我们不但可以实时观测RecA所介导的链交换过程,还可以直接观察RecA第二结合位点与被置换链的动态相互作用,并且通过链交换反应曲线的不同来判断链交换的方向性。为深入研究RecA和其他重组酶所介导的DNA重组机制提供了一个潜在的优选方案。第二部分中,利用磁镊和sm FRET技术来捕捉同源重组过程中的瞬态过程,通过设计不同同源比例DNA链,对RecA介导的同源重组所涉及的核心问题进行研究。我们利用上述技术手段不但观测到同源重组过程中初始同源序列识别的试探过程,而且记录了初始识别后的异源双链扩展的过程,实现了实时且完整地观测同源重组链交换的各个反应细节。结果表明:1.链交换过程是以Rec A为单位,而不是碱基为单位来进行的;2.链交换过程中链交换的尺度与核蛋白丝的结构有很强的相关性。单次链交换长度出现从3nt到24nt不等且都为3nt的整数倍,其分布期望为9nt,18nt,此结果统一了此前在相关领域研究结果的一些矛盾。此外,根据实验结果,我们推测,同源重组的扩展过程存在一个短尺度(~9bp)的快速匹配测试过程和一个长尺度(~18bp)的严格匹配测试过程。