科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然
阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)的一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性研究首次直接觀察到了DNA開(kāi)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(guò)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(guò)程中起著關(guān)鍵作用，但對(duì)其如何與DNA和ATP（三磷酸腺苷）協(xié)同工作，驅(qū)動(dòng)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(guò)15個(gè)原子狀態(tài)，逐步解開(kāi)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。這一過(guò)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(dòng)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(duì)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(lái)源，沿著DNA移動(dòng)并解開(kāi)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(wú)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(kāi)DNA，而是通過(guò)一系列構(gòu)象變化逐步破壞和分離DNA鏈。這種機(jī)制類(lèi)似于捕鼠器中的彈簧，每當(dāng)ATP被水解時(shí)，解旋酶就被推向前進(jìn)，拉開(kāi)DNA鏈。研究還發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)解旋酶可以在DNA上的不同位置同時(shí)工作，協(xié)調(diào)地在兩個(gè)方向上解開(kāi)DNA，提高了能量效率。
這些發(fā)現(xiàn)不僅增進(jìn)了人們對(duì)生命基本科學(xué)問(wèn)題的理解，也為開(kāi)發(fā)新型納米技術(shù)提供了靈感。基于解旋酶設(shè)計(jì)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(dòng)任務(wù)。
總編輯圈點(diǎn)：
對(duì)DNA解旋的開(kāi)創(chuàng)性研究，用處可能超乎人們想象——它不僅深化了我們對(duì)遺傳物質(zhì)復(fù)制機(jī)制的見(jiàn)解，還提升了我們對(duì)細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜“分子機(jī)器”運(yùn)作的認(rèn)識(shí)；模仿解旋酶的工作機(jī)制未來(lái)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(guò)對(duì)DNA解旋過(guò)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(kāi)發(fā)新型機(jī)械系統(tǒng)帶來(lái)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(shí)，也打開(kāi)了一扇探索自然界奧秘的新窗口。
