近日，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）的研究團(tuán)隊(duì)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(jī)制。
助理教授Alfredo De Biasio和Samir Hamdan教授的實(shí)驗(yàn)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(duì)DNA的相互作用，提供了迄今為止對(duì)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(dòng)DNA解開(kāi)的。這一成就不僅是解旋酶研究的一個(gè)里程碑，也是觀察任何酶在原子分辨率下動(dòng)態(tài)變化的重要進(jìn)展。
盡管早已認(rèn)識(shí)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(yùn)作，以驅(qū)動(dòng)DNA的解旋過(guò)程。”
當(dāng)Watson和Crick在1953年提出雙螺旋結(jié)構(gòu)時(shí)，他們?yōu)榭茖W(xué)界揭示了遺傳信息存儲(chǔ)和復(fù)制的突破性理解。為了使DNA進(jìn)行復(fù)制，螺旋結(jié)構(gòu)必須首先解開(kāi)，將雙鏈DNA分離為兩個(gè)單鏈。
圖 1：解旋酶環(huán)繞分叉的 DNA 以啟動(dòng)內(nèi)部鏈分離。
解旋酶結(jié)合后，會(huì)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(kāi)，為其他酶的復(fù)制過(guò)程騰出空間。如果沒(méi)有這一首要步驟，DNA就無(wú)法被準(zhǔn)確復(fù)制。因此，解旋酶被視為機(jī)器，或因?yàn)槠湮⑿〉捏w積而被稱為納米機(jī)器。
如果解旋酶是納米機(jī)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(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞一樣，使得解旋酶的六個(gè)“活塞”能夠解開(kāi)DNA。研究發(fā)現(xiàn)，隨著ATP的消耗，解旋酶沿DNA移動(dòng)的物理約束減小，從而使其能夠逐漸解開(kāi)更多的雙鏈。在這個(gè)過(guò)程中，ATP的消耗充當(dāng)了一種開(kāi)關(guān)，增加系統(tǒng)內(nèi)的熵或無(wú)序，使解旋酶能夠自在地沿著DNA移動(dòng)。
De Biasio解釋道：“解旋酶并不是通過(guò)一次性動(dòng)作將DNA撬開(kāi)，而是通過(guò)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(dòng)解旋酶向前，并將DNA鏈拉開(kāi)。”
在研究團(tuán)隊(duì)的多項(xiàng)發(fā)現(xiàn)中，還有一個(gè)重要成果是兩條解旋酶能夠同時(shí)在兩個(gè)位置熔化DNA以啟動(dòng)解旋。DNA的化學(xué)特性使得納米機(jī)器只能沿著單一的DNA鏈在一個(gè)方向上移動(dòng)。通過(guò)同時(shí)在兩個(gè)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(gè)方向上進(jìn)行，這種能量效率在自然界的納米機(jī)器中是獨(dú)特的。
De Biasio進(jìn)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(wèn)題，同時(shí)也使解旋酶成為新型納米技術(shù)設(shè)計(jì)的模型。
“從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，解旋酶是一種能量高效的機(jī)械系統(tǒng)。工程化的納米機(jī)器利用類似的熵開(kāi)關(guān)機(jī)制，能夠在執(zhí)行復(fù)雜的、基于力量的任務(wù)時(shí)發(fā)揮相似的能量效率，”De Biasio補(bǔ)充說(shuō)。
雜志：Nature
DOI：10.1038/s41586-025-08766-w
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