DNA示意图。图片来源：物理学家组织网
科技日报北京3月20日电 （记者张梦然）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。
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