近日，阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）的研究團隊在《Nature》期刊發(fā)表突破性研究，首次直接捕捉到DNA解旋的瞬間，揭示了生命遺傳物質(zhì)復(fù)制的關(guān)鍵機制。
助理教授Alfredo De Biasio和Samir Hamdan教授的實驗室利用冷凍電子顯微鏡和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，觀察了SV40大腫瘤抗原對DNA的相互作用，提供了迄今為止對DNA復(fù)制第一步的最詳細(xì)描述：15種原子狀態(tài)揭示了解旋酶是如何推動DNA解開的。這一成就不僅是解旋酶研究的一個里程碑，也是觀察任何酶在原子分辨率下動態(tài)變化的重要進展。
盡管早已認(rèn)識到解旋酶在DNA復(fù)制中的重要性，De Biasio指出：“但他們并不知道DNA、解旋酶和ATP是如何協(xié)調(diào)運作，以驅(qū)動DNA的解旋過程。”
當(dāng)Watson和Crick在1953年提出雙螺旋結(jié)構(gòu)時，他們?yōu)榭茖W(xué)界揭示了遺傳信息存儲和復(fù)制的突破性理解。為了使DNA進行復(fù)制，螺旋結(jié)構(gòu)必須首先解開，將雙鏈DNA分離為兩個單鏈。
圖 1：解旋酶環(huán)繞分叉的 DNA 以啟動內(nèi)部鏈分離。
解旋酶結(jié)合后，會熔化DNA，破壞雙螺旋之間的化學(xué)鍵。隨后，解旋酶將兩條鏈拉開，為其他酶的復(fù)制過程騰出空間。如果沒有這一首要步驟，DNA就無法被準(zhǔn)確復(fù)制。因此，解旋酶被視為機器，或因為其微小的體積而被稱為納米機器。
如果解旋酶是納米機器，那么ATP，即三磷酸腺苷，就是它們的燃料。燃燒的ATP，正如燃燒汽油推動汽車發(fā)動機的活塞一樣，使得解旋酶的六個“活塞”能夠解開DNA。研究發(fā)現(xiàn)，隨著ATP的消耗，解旋酶沿DNA移動的物理約束減小，從而使其能夠逐漸解開更多的雙鏈。在這個過程中，ATP的消耗充當(dāng)了一種開關(guān)，增加系統(tǒng)內(nèi)的熵或無序，使解旋酶能夠自在地沿著DNA移動。
De Biasio解釋道：“解旋酶并不是通過一次性動作將DNA撬開，而是通過一系列構(gòu)象變化逐漸不穩(wěn)定并分離鏈條。ATP的消耗或水解釋放的能量像老鼠夾中的彈簧，推動解旋酶向前，并將DNA鏈拉開。”
在研究團隊的多項發(fā)現(xiàn)中，還有一個重要成果是兩條解旋酶能夠同時在兩個位置熔化DNA以啟動解旋。DNA的化學(xué)特性使得納米機器只能沿著單一的DNA鏈在一個方向上移動。通過同時在兩個位置結(jié)合，解旋酶可以協(xié)調(diào)工作，從而使解旋能夠在兩個方向上進行，這種能量效率在自然界的納米機器中是獨特的。
De Biasio進一步解釋，這種效率使得研究DNA復(fù)制不僅僅是試圖回答關(guān)于生命的最基本科學(xué)問題，同時也使解旋酶成為新型納米技術(shù)設(shè)計的模型。
“從設(shè)計的角度來看，解旋酶是一種能量高效的機械系統(tǒng)。工程化的納米機器利用類似的熵開關(guān)機制，能夠在執(zhí)行復(fù)雜的、基于力量的任務(wù)時發(fā)揮相似的能量效率，”De Biasio補充說。
雜志：Nature
DOI：10.1038/s41586-025-08766-w
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