科學家觀察到DNA開始解旋瞬間
有助深刻理解細胞復制遺傳物質機制
DNA示意圖。圖片來源：物理學家組織網
科技日報北京3月20日電(記者 張夢然)阿卜杜拉國王科技大學的一項開創(chuàng)性研究首次直接觀察到了DNA開始解旋的瞬間，揭示了使細胞能夠準確復制其遺傳物質的基本機制。這項研究使用冷凍電子顯微鏡和深度學習技術，捕捉到解旋酶與DNA相互作用的精微細節(jié)，提供了迄今為止最詳盡的DNA解旋過程。相關論文發(fā)表在最新一期《自然》雜志上。
盡管科學家早已知道，解旋酶在DNA復制過程中起著關鍵作用，但對其如何與DNA和ATP(三磷酸腺苷)協(xié)同工作，驅動DNA解旋的具體機制一直不清楚。此次研究表明，解旋酶通過15個原子狀態(tài)，逐步解開DNA雙螺旋結構。這一過程不僅標志著解旋酶研究的里程碑，也是在原子分辨率下觀察酶動態(tài)行為的重大突破。
DNA復制的第一步，是解旋酶將雙鏈DNA拆分為兩條單鏈，這一步驟對于后續(xù)復制至關重要。解旋酶作為“納米機器”，利用ATP作為能量來源，沿著DNA移動并解開雙螺旋。隨著ATP被消耗，解旋酶克服物理限制向前推進，逐漸增加系統(tǒng)的熵(無序度)，從而實現(xiàn)DNA的分離。
特別值得注意的是，解旋酶并非一次性完全解開DNA，而是通過一系列構象變化逐步破壞和分離DNA鏈。這種機制類似于捕鼠器中的彈簧，每當ATP被水解時，解旋酶就被推向前進，拉開DNA鏈。研究還發(fā)現(xiàn)，兩個解旋酶可以在DNA上的不同位置同時工作，協(xié)調地在兩個方向上解開DNA，提高了能量效率。
這些發(fā)現(xiàn)不僅增進了人們對生命基本科學問題的理解，也為開發(fā)新型納米技術提供了靈感�；诮庑冈O計的節(jié)能機械系統(tǒng)，可以模仿其高效能機制，用于執(zhí)行復雜的驅動任務。
