科学家首次捕获DNA解链

DNA复制是所有生命生长和繁殖的基本过程，科学家们对DNA复制的早期阶段提供了迄今为止最详细的描述。

科学家们第一次直接观察到DNA开始解体的那一刻，这是一个关键的分子事件，巩固了它作为遗传信息载体的作用。在一项发表在《自然》杂志上的开创性研究中，来自阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究人员已经捕获了DNA复制的初始步骤，为细胞如何准确复制其遗传物质提供了新的见解，这是生命、生长和繁殖所必需的过程。

由KAUST助理教授Alfredo De Biasio和Samir Hamdan教授领导的团队使用先进的冷冻电子显微镜结合深度学习技术，仔细研究了解螺旋酶（猿猴病毒40大肿瘤抗原）如何与DNA相互作用。他们的工作揭示了15种不同的原子水平状态，详细说明了解旋酶如何启动和驱动DNA双螺旋的解开。这一成就不仅标志着解旋酶功能的重大突破，而且标志着酶动力学在原子分辨率上的可视化，这是分子生物学中前所未有的一步。

解旋酶及其作用的认识

虽然科学家们早就知道解旋酶在DNA复制中的重要性，但“他们不知道DNA、解旋酶和ATP如何在一个协调的循环中共同作用，以驱动DNA解链，”De Biasio说。

当沃森和克里克在1953年报告了双螺旋结构时，他们使科学界对遗传信息是如何存储和复制的理解取得了突破性进展。为了使DNA复制，螺旋必须首先展开，将DNA从双链分解成两条单链。

一旦结合，解旋酶就会融化DNA，打破将双螺旋结构连接在一起的化学键。然后它们将两条链分开，让其他酶完成复制。没有这第一步，DNA就无法复制。通过这种方式，解旋酶是机器，或者因为它们的大小，是纳米机器。

ATP：推动解链的燃料

如果解旋酶是纳米机器，那么“ATP”或三磷酸腺苷就是燃料。就像燃烧汽油驱动汽车发动机的活塞一样，燃烧ATP，也就是用来弯曲肌肉的燃料，会导致解旋酶的六个活塞解开DNA。研究发现，随着ATP的消耗，它减少了允许解旋酶沿着DNA进行的物理限制，解开越来越多的双链。因此，ATP的消耗起到了一个开关的作用，增加了系统中的熵或无序量，释放了解旋酶，使其沿着DNA移动。

解旋酶不是利用ATP在一次运动中撬开DNA，而是通过构象变化循环，逐渐使DNA链不稳定并分离。ATP燃烧或水解的作用就像捕鼠器中的弹簧，将解旋酶向前推进，将DNA链分开。”

在KAUST科学家们的许多发现中，有两种解旋酶同时在两个位点融化DNA以启动解绕。DNA的化学性质决定了纳米机器只能沿着一条DNA链朝一个方向移动。通过同时在两个位点结合，解旋酶相互协调，使缠绕可以在两个方向上发生，具有天然纳米机器所特有的能量效率。

De Biasio解释说，这种效率使得DNA复制的研究不仅仅是试图回答关于生命的最基本的科学问题，它还为设计新的纳米技术提供了解螺旋酶模型。

他总结道：“从设计角度来看，螺旋酶是节能机械系统的典范。使用熵开关的工程纳米机器可以利用类似的节能机制来执行复杂的力驱动任务。”

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