科學家首次捕捉DNA解旋瞬間，揭開生命複製之謎

科學家們首次詳細記錄了DNA複製的最初階段，這是一項對所有生命成長與繁殖至關重要的過程。這項突破性研究由阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的研究團隊發表在《自然》期刊上，他們利用先進的冷凍電子顯微鏡技術結合深度學習，首次直接觀察到DNA開始解旋的關鍵時刻。

研究團隊由KAUST助理教授Alfredo De Biasio和教授Samir Hamdan領導，他們仔細研究了螺旋酶（Simian Virus 40 Large Tumor Antigen）如何與DNA相互作用。這項研究揭示了15種不同的原子級狀態，詳細描述了螺旋酶如何啟動並驅動DNA雙螺旋的解旋。這不僅是理解螺旋酶功能的重大突破，也是首次在原子解析度下觀察酶動態的里程碑。

De Biasio指出，雖然科學家們早已知道螺旋酶在DNA複製中的重要性，但他們並不清楚DNA、螺旋酶和ATP（三磷酸腺苷）如何協同作用來驅動DNA解旋。當Watson和Crick在1953年報告雙螺旋結構時，他們為科學界提供了關於遺傳資訊如何儲存和複製的突破性理解。為了複製DNA，雙螺旋必須首先解旋，將DNA從雙鏈分離成兩條單鏈。

螺旋酶在結合後會「融化」DNA，打破維持雙螺旋的化學鍵，然後將兩條鏈分開，讓其他酶完成複製過程。如果沒有這一步，DNA就無法複製。因此，螺旋酶可以被視為一種機器，或者更準確地說，是一種奈米機器。

如果螺旋酶是奈米機器，那麼ATP就是它的燃料。就像燃燒汽油驅動汽車引擎的活塞一樣，燃燒ATP（與肌肉收縮使用的燃料相同）會導致螺旋酶的六個活塞解旋DNA。研究發現，隨著ATP的消耗，它減少了物理約束，使螺旋酶能夠沿著DNA移動，解開越來越多的雙鏈。因此，ATP的消耗就像一個開關，增加了系統中的熵（或無序），使螺旋酶能夠自由移動。

螺旋酶使用ATP並不是為了在一次動作中撬開DNA，而是透過構象變化逐步破壞並分離鏈。De Biasio解釋說，ATP的燃燒或水解就像捕鼠器中的彈簧，將螺旋酶向前彈出並拉開DNA鏈。

KAUST科學家們的眾多發現之一，是兩個螺旋酶同時在兩個位點「融化」DNA以啟動解旋。DNA的化學特性使得奈米機器只能沿著單條DNA鏈單向移動。透過同時在兩個位點結合，螺旋酶協調工作，使解旋能夠在兩個方向上進行，這種能量效率是天然奈米機器獨有的。

De Biasio解釋說，這種效率不僅使DNA複製的研究成為回答生命最基本科學問題的嘗試，也使螺旋酶成為設計新型奈米技術的模型。從設計角度來看，螺旋酶展示了能源高效的機械繫統。利用熵開關設計的工程奈米機器可以採用類似的能源高效機制來執行複雜的力驅動任務。

參考文獻：Taha Shahid, Ammar U. Danazumi, Muhammad Tehseen, Lubna Alhudhali, Alice R. Clark, Christos G. Savva, Samir M. Hamdan and Alfredo De Biasio, Structural dynamics of DNA unwinding by a replicative helicase, Nature, 19 March 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-08766-w