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科学家观察到DNA开始解旋瞬间

来源:科技日报2025-03-21 10:09

  科技日报北京3月20日电 阿卜杜拉国王科技大学的一项开创性研究首次直接观察到了DNA开始解旋的瞬间,揭示了使细胞能够准确复制其遗传物质的基本机制。这项研究使用冷冻电子显微镜和深度学习技术,捕捉到解旋酶与DNA相互作用的精微细节,提供了迄今为止最详尽的DNA解旋过程。相关论文发表在最新一期《自然》杂志上。

  尽管科学家早已知道,解旋酶在DNA复制过程中起着关键作用,但对其如何与DNA和ATP(三磷酸腺苷)协同工作,驱动DNA解旋的具体机制一直不清楚。此次研究表明,解旋酶通过15个原子状态,逐步解开DNA双螺旋结构。这一过程不仅标志着解旋酶研究的里程碑,也是在原子分辨率下观察酶动态行为的重大突破。

  DNA复制的第一步,是解旋酶将双链DNA拆分为两条单链,这一步骤对于后续复制至关重要。解旋酶作为“纳米机器”,利用ATP作为能量来源,沿着DNA移动并解开双螺旋。随着ATP被消耗,解旋酶克服物理限制向前推进,逐渐增加系统的熵(无序度),从而实现DNA的分离。

  特别值得注意的是,解旋酶并非一次性完全解开DNA,而是通过一系列构象变化逐步破坏和分离DNA链。这种机制类似于捕鼠器中的弹簧,每当ATP被水解时,解旋酶就被推向前进,拉开DNA链。研究还发现,两个解旋酶可以在DNA上的不同位置同时工作,协调地在两个方向上解开DNA,提高了能量效率。

  这些发现不仅增进了人们对生命基本科学问题的理解,也为开发新型纳米技术提供了灵感。基于解旋酶设计的节能机械系统,可以模仿其高效能机制,用于执行复杂的驱动任务。(记者张梦然)

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