探索宇宙奥秘 · 理性思考
在微观世界里，DNA的每一次扭转都蕴藏着惊人的力量。中国科学院福建物质结构研究所团队最新研究，揭开了生物大分子体系中一个隐藏的调控机制：DNA超螺旋能像魔术师一样，将蛋白质和DNA凝聚体“束”成一件“紧身衣”，实现尺寸的可逆压缩。这一发现不仅刷新了我们对细胞内物质组装的认知，更可能开启合成生物学和药物设计的新篇章。让我们深入探索这一突破，看看它如何连接历史、立足当下，并指向未来。
生物大分子体系中的非共价相互作用，如电荷作用、氢键和疏水作用，一直被视为蛋白质和核酸识别、组装的基石。这些“相互作用网络”像分子间的胶水，让物质凝聚体形成。但科学家们忽略了另一个关键自由度：DNA在转录和拓扑异构酶调控下积累的扭转载荷，即DNA超螺旋。超螺旋能改变蛋白质与DNA的结合方式，甚至重塑凝聚体的内部结构。 福建物质结构研究所团队通过粗粒化模型，首次将DNA的“扭转柔性”显式引入研究。他们发现，超螺旋触发twist-to-writhe转换，在DNA上生成叠绕结构。这些结构不会撑大凝聚体边界，反而像胶带一样贴附表面，形成“致密DNA—蛋白核心+表面叠绕结构壳层”的“DNA束身衣”架构。这一机制解释了凝聚体尺寸的可逆压缩，也揭示了超螺旋作为拓扑开关的潜力。
“DNA束身衣”的形成依赖于蛋白质的桥联状态。蛋白质具有两个DNA结合位点，能处于自由、单端结合或双端桥联三种状态。多价非共价吸引将远距离DNA链段“桥”到一起，驱动凝聚体生成。团队设置三阶段过程研究：施加超螺旋后，叠绕结构沿表面侧向延展，表面单端结合态蛋白将其限制在窄壳层内，像“松紧束带”一样勒紧边界。 这导致凝聚体尺寸在较宽范围内可逆压缩，并赋予阈值响应特性——当超螺旋强度超过阈值时，压缩效果显著。长链DNA体系还出现滞后与“拓扑记忆”，意味着DNA能“记住”历史状态，影响后续行为。这一机制耦合了“相互作用网络”与“可扭转聚合物力学”，为理解生物凝聚体动态提供了新视角。它更适用于原核染色体或体外系统，真核体系需纳入核小体层级进行验证。
DNA超螺旋的调控功能远超预期，它为生物系统注入了“智能”。生物学角度，束身衣壳层像弹性护套，分散外力、缓冲扭转载荷，并在表面保留可接近位点，形成“可渗透的调控界面”。这能优化细胞内物质运输，例如在转录过程中保护DNA免受损伤。工程化角度，叠加调控超螺旋强度和多价非共价结合强度，有望实现带阈值与记忆的可编程凝聚体。 想象一下，未来科学家能设计人工凝聚体，用于药物递送或生物传感器——它们会根据环境变化自动调整尺寸，甚至“记住”历史指令。这一突破源于历史积累：非共价相互作用研究始于20世纪中期，DNA超螺旋概念在1970年代提出，但直到现在，拓扑调控与凝聚体尺寸的耦合才被解析。中国在生物分子研究领域稳步推进，福建物质结构研究所的成果彰显了全球领导力，与美国和欧洲团队形成互补。
中国在这项研究中扮演关键角色。福建物质结构研究所团队依托国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项支持，将理论模型转化为可验证机制。对比国际，中国聚焦生物大分子体系的拓扑调控，而美国团队更多探索量子传感或超导技术，欧洲侧重合成生物学应用。这一成果发表在JACS Au上，标志着中国基础研究的高水平。 未来，中国可深化真核体系研究，纳入核小体层级，推动药物设计——例如针对癌症的靶向治疗，利用束身衣机制调控基因表达。同时，工程化应用如可编程凝聚体，可能助力生物计算或智能材料开发。历史脉络清晰：从DNA双螺旋发现（1953年）到非共价相互作用研究，再到今天的拓扑调控，中国正从跟随者转向引领者，为全球生物科技贡献创新智慧。
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