摘要：在大多数实验室中，研究 DNA 的科学家会将其放入简单的水基溶液中。这种受控装置使研究人员能够不受其他分子干扰地处理 DNA。为了分离 DNA 链，这些实验室通常会将样本加热到 75 摄氏度以上，而这是细胞自然无法达到的温度。

研究人员揭示，在现实细胞环境中，DNA链分离需要更大的机械力，这将重塑人们对遗传过程和分子相互作用的理解。

西北大学的研究人员发现，在更真实的环境中建模时，DNA 链分离可能需要比以前认为的更大的力量。

在大多数实验室中，研究 DNA 的科学家会将其放入简单的水基溶液中。这种受控装置使研究人员能够不受其他分子干扰地处理 DNA。为了分离 DNA 链，这些实验室通常会将样本加热到 75 摄氏度以上，而这是细胞自然无法达到的温度。

相比之下，活细胞内的 DNA 存在于高度拥挤的环境中，其中特殊的蛋白质与 DNA 结合，机械地解开并分离双螺旋。

“细胞内部分子超级拥挤，而大多数生物化学实验却非常空旷，”西北大学教授约翰·马尔科（John Marko）说道：“你可以把多余的分子想象成台球。它们撞击着 DNA 双螺旋，阻止其打开。”

马尔科教授在美国西北大学温伯格文理学院分子生物科学和物理学任教，他与博士后研究员帕特·德赛（Parth Desai）合作该研究。

他们的团队使用了名为磁镊子的先进微型工具。他们利用这些工具，小心翼翼地将微小的磁性粒子附着到一端固定的 DNA 链上，轻轻地将 DNA 链拉开，并用精确的成像技术捕捉这一过程。马尔科是首批提出并运用这种创新方法的科学家之一，该方法已存在 25 年。

马尔科和德赛撰写了一篇发表在《生物物理学杂志》上的论文，不仅识别而且量化了拥挤带来的压力。

德赛将三种分子引入含有 DNA 的溶液中以模拟蛋白质，并研究甘油、乙二醇和聚乙二醇（每种分子的大小都大约相当于一个 DNA 双螺旋）之间的相互作用。

“我们希望拥有各种各样的分子，其中一些会导致脱水，以机械方式破坏 DNA 的稳定性，而另一些则能稳定DNA，”德赛说：“这与细胞中发现的分子并不完全类似，但你可以想象，细胞中其他竞争蛋白质也会产生类似的效果。例如，如果它们竞争水分，就会使 DNA 脱水；如果它们不竞争水分，就会挤压 DNA，产生熵效应。”

马尔科表示，尽管这类研究基础性很强，但它“已成为许多医学进步的基础”，例如 DNA 深度测序，科学家现在可以在不到一天的时间内完成整个人类基因组的测序。他还认为，他们的发现可能广泛应用于其他基础生化过程。

“如果这影响了 DNA 链的分离，那么所有蛋白质与 DNA 的相互作用也会受到影响，”马尔科说：“例如，蛋白质粘附在 DNA 特定位点并控制特定过程的倾向——这也会因拥挤而改变。”

除了进行更多包含多种拥挤剂的实验之外，该团队还希望更接近细胞的真实表现，并由此研究酶和 DNA 之间的相互作用如何受到拥挤的影响。

参考文献：Parth Rakesh Desai 和 John F. Marko 合著的《分子拥挤抑制机械应力驱动的 DNA 链分离》，发表于 2025 年 4 月 30 日，《生物物理杂志》。DOI：10.1016/j.bpj.2025.04.024

来源：康嘉年華一点号