科學家觀察到DNA開始解旋瞬間

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複製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，提供了迄今為止最詳盡的DNA解旋過程。相關論文發表在最新一期《自然》雜誌上。

儘管科學家早已知道，解旋酶在DNA複製過程中起着關鍵作用，但對其如何與DNA和ATP（三磷酸腺苷）協同工作，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，逐步解開DNA雙螺旋結構。這一過程不僅標誌着解旋酶研究的里程碑，也是在原子分辨率下觀察酶動態行為的重大突破。

DNA複製的第一步，是解旋酶將雙鏈DNA拆分為兩條單鏈，這一步驟對於後續複製至關重要。解旋酶作為“納米機器”，利用ATP作為能量來源，沿着DNA移動並解開雙螺旋。隨着ATP被消耗，解旋酶克服物理限制向前推進，逐漸增加系統的熵（無序度），從而實現DNA的分離。

特別值得注意的是，解旋酶並非一次性完全解開DNA，而是通過一系列構象變化逐步破壞和分離DNA鏈。這種機制類似於捕鼠器中的彈簧，每當ATP被水解時，解旋酶就被推向前進，拉開DNA鏈。研究還發現，兩個解旋酶可以在DNA上的不同位置同時工作，協調地在兩個方向上解開DNA，提高了能量效率。

這些發現不僅增進了人們對生命基本科學問題的理解，也為開發新型納米技術提供了靈感。基於解旋酶設計的節能機械系統，可以模仿其高效能機制，用於執行復雜的驅動任務。

【總編輯圈點】

對DNA解旋的開創性研究，用處可能超乎人們想象——它不僅深化了我們對遺傳物質複製機制的見解，還提升了我們對細胞內複雜“分子機器”運作的認識；模仿解旋酶的工作機制未來可能創造出更加高效、精準的納米機器人，用於執行各種複雜的任務，如藥物遞送或微觀手術等；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制也能為人們開發新型機械系統帶來靈感。這項研究成果在增強我們洞悉生命本質能力的同時，也打開了一扇探索自然界奧秘的新窗口。