科技日報記者 張夢然
阿卜杜拉國王科技大學(xué)的一項(xiàng)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(xì)胞能夠準(zhǔn)確復(fù)制其遺傳物質(zhì)的基本機(jī)制。這項(xiàng)研究使用冷凍電子顯微鏡和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，捕捉到解旋酶與DNA相互作用的精微細(xì)節(jié)，提供了迄今為止最詳盡的DNA解旋過程。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《自然》雜志上。
盡管科學(xué)家早已知道，解旋酶在DNA復(fù)制過程中起著關(guān)鍵作用，但對其如何與DNA和ATP（三磷酸腺苷）協(xié)同工作，驅(qū)動DNA解旋的具體機(jī)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(jié)構(gòu)。這一過程不僅標(biāo)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(fù)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(fù)制至關(guān)重要。解旋酶作為“納米機(jī)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(jìn)，逐漸增加系統(tǒng)的熵（無序度），從而實(shí)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(gòu)象變化逐步破壞和分離DNA鏈。這種機(jī)制類似于捕鼠器中的彈簧，每當(dāng)ATP被水解時，解旋酶就被推向前進(jìn)，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(diào)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(jìn)了人們對生命基本科學(xué)問題的理解，也為開發(fā)新型納米技術(shù)提供了靈感?；诮庑冈O(shè)計的節(jié)能機(jī)械系統(tǒng)，可以模仿其高效能機(jī)制，用于執(zhí)行復(fù)雜的驅(qū)動任務(wù)。
總編輯圈點(diǎn)：
對DNA解旋的開創(chuàng)性研究，用處可能超乎人們想象——它不僅深化了我們對遺傳物質(zhì)復(fù)制機(jī)制的見解，還提升了我們對細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜“分子機(jī)器”運(yùn)作的認(rèn)識；模仿解旋酶的工作機(jī)制未來可能創(chuàng)造出更加高效、精準(zhǔn)的納米機(jī)器人，用于執(zhí)行各種復(fù)雜的任務(wù)，如藥物遞送或微觀手術(shù)等；而通過對DNA解旋過程的直接觀察，這種自然界精妙的彈簧機(jī)制也能為人們開發(fā)新型機(jī)械系統(tǒng)帶來靈感。這項(xiàng)研究成果在增強(qiáng)我們洞悉生命本質(zhì)能力的同時，也打開了一扇探索自然界奧秘的新窗口。
