生命分子被扭曲了。但是，那些熟悉的DNA双螺旋链是如何在没有缠绕的情况下成功复制的，这就很难解释了。康奈尔大学物理学家的新观点有助于解开这个谜团。
染色质纤维和DNA复制过程中拓扑异构酶II的例证。
研究人员从拓扑的角度来解决这个问题，问什么影响螺旋形状本身对DNA复制。利用真核生物——构成绝大多数生物的生物——作为他们的模型系统，他们发现染色质(一种DNA和蛋白质的复合物)的内在机械特性决定了染色质纤维如何缠绕。
这种结构对新复制的DNA的成功分离至关重要:如果纤维过早地缠绕得太紧，那么在细胞分裂过程中分子就不能正确地分离。
“这项研究突出了基本生物过程中物理原理的重要性，”该研究的第一作者、霍华德·休斯医学研究所研究员、艺术与科学学院的物理学教授米歇尔·王说。
这篇题为“染色质扭转力学与拓扑异构酶活性的协同协调”的论文发表在10月17日的《细胞》杂志上。
在DNA复制过程中，当一个复制体分裂两条DNA链并向前移动时，DNA也必须绕螺旋轴旋转。这使DNA承受了很大的扭转压力，从而导致DNA发生额外的扭曲。
问题是:额外的扭曲会去哪里?如果额外的扭曲只发生在复制体的前面，那么两个子DNA分子就不会纠缠在一起，这样它们就可以分离了。然而，如果额外的扭曲进入了复制体的后部，那么两个子DNA分子就会纠缠在一起，无法分离。这将在细胞分裂过程中造成染色体分离的主要问题，可能导致DNA损伤并导致细胞死亡或癌症。
研究人员发现，扭转单一的染色质纤维比扭转双纤维容易得多。这意味着，额外的扭曲会优先出现在前面，从而最小化两个子DNA分子的纠缠。
“虽然染色质通常被认为是复制的障碍，”王说，“我们的结果表明，染色质也简化了复制拓扑结构，从而促进了复制动力学。”我们认为这是相当了不起的。”
在另一项实验中，研究人员发现一种分解DNA的酶(拓扑异构酶II)更喜欢前面的单一染色质纤维。染色质机制和拓扑异构酶活性似乎以一种协同的方式协调，以减少子链的缠绕。
为了了解染色质的机械行为，研究人员必须创造新的方法来处理它。由于任务的复杂性，以前从未尝试过用编织染色质纤维来制作基质。Wang和她的团队使用了她的团队之前开发的angular光学陷阱工具，以及其他方法来创建和处理单个和编织的染色质纤维衬底，使他们能够检查它们的扭转力学性能。
论文的合著者包括来自原子和固体物理实验室的博士后同事佟乐、高翔和杰西卡·基利安;研究专家詹姆斯·英曼;研究生Seong ha Park, Jaeyoon Lee和Ryan Badman;约翰霍普金斯大学医学院的乔伊斯·李和詹姆斯·伯杰。
石英圆柱的制造是在康奈尔纳米科技设施进行的，该设施是国家纳米技术协调基础设施的成员之一，由国家科学基金会资助。
琳达·格拉泽(Linda B. Glaser)是文理学院的新闻与媒体关系经理。
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