断裂键双螺旋解压缩揭示DNA物理学

准确地重建一个复杂分子的各个部分是如何结合在一起的，只知道分子是如何扭曲和分解的——这是由SISSA的CristianMicheletti领导的一个研究小组所面临的挑战，该小组最近发表在《物理评论快报》上。特别是，科学家们研究了DNA双螺旋结构在高速通过纳米孔时如何解压缩，从该过程的唯一速度重建基本的DNA热力学性质。

聚合物通过纳米孔的易位长期以来一直作为一个基本理论问题及其若干实际分支进行研究，例如用于基因组测序。我们记得后者涉及驱动DNA丝穿过一个非常狭窄的孔，以至于只有一条双螺旋链可以通过，而另一条链则被留在后面。因此，易位的DNA双螺旋结构必然会分裂和展开，这种效应称为解压缩。

该研究小组还包括第一作者巴里大学的安东尼奥苏马和坦普尔大学的文森佐卡内维尔，他们使用一组计算机来模拟不同驱动力的过程，以跟踪DNA的解压缩速度，这是一种数据尽管可以在实验中直接访问，但很少有人对此进行研究。

使用先前开发的理论和数学模型，研究人员能够“逆向”工作，利用速度信息准确地重建双螺旋结构形成和破裂的热力学。

“以前的理论”，研究人员解释说，“从分子系统热力学的详细知识出发，然后用于预测对或多或少侵入性外部压力的反应。这本身就是一个重大挑战。我们研究了逆向问题：我们从DNA对侵略性压力的反应开始，例如双螺旋结构的强制解压缩，以恢复热力学的细节。”

“由于解压缩过程的侵入性和快速性，该项目似乎注定要失败，这可能就是以前从未尝试过的原因。但是，我们也知道，如果适用，正确的理论和数学模型可以提供“我们为这个问题提供了一个很有前途的解决方案。在分析了大量收集到的数据之后，我们很高兴地发现情况确实如此;我们很高兴我们有正确的直觉。”

该研究采用的技术是通用的，因此研究人员希望能够将其扩展到DNA之外的其他分子系统，这些系统仍相对未被探索。一个典型的例子是所谓的分子马达，蛋白质聚集体利用能量进行循环转换，非常像我们日常生活中的引擎。

“到目前为止”，研究人员强调，“对分子马达的研究已经开始，首先是对其热力学提出假设，然后将预测与实验数据进行比较。我们已经验证的新方法应该允许采取相反的路线，即使用来自外部的数据恢复热力学的非平衡实验，具有明显的概念和实践优势。”

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