Nature：科学家看到DNA解绕的第一步

时间：2025年3月31日

来源：AAAS

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科学家们第一次目睹了DNA开始分解的那一刻，揭示了DNA成为编码所有生命的分子的必要分子事件。阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）发表在《自然》杂志上的一项新研究捕捉到了DNA开始放松的那一刻，从而允许了DNA复制过程中随后发生的所有事件。这种直接的观察揭示了细胞忠实地复制其遗传物质的基本机制，这是生长和繁殖的基石。

KAUST助理教授Alfredo De Biasio和Samir Hamdan的实验室使用冷冻电子显微镜和深度学习来观察解螺旋酶猴病毒40大肿瘤抗原与DNA的相互作用，提供了DNA复制的第一步最详细的描述：15个原子状态描述了酶解螺旋酶如何迫使DNA解开。这一成果不仅是解旋酶研究的一个里程碑，也是在原子分辨率上观察任何酶的动力学的一个里程碑。

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解旋，”德比阿西奥说。

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。

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，它还为新纳米技术的设计提供了解螺旋酶的模型。

“从设计的角度来看，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、力驱动的任务，”他说。