Science聚焦DNA的攀岩者

　　

生物通报道  来自牛津大学的科学家们利用一项新的成像技术揭示了细胞内的分子机器像攀岩者寻找搭手一样抓住DNA来重塑遗传物质的机制。相关论文发表在10月26日的《科学》（Science）杂志上。

在实验中，研究人员利用激光生成了接近单细胞的非常明亮的斑点。加上荧光标记，这一“聚光灯”使得研究人员有可能快速成像细胞的内部运作，从而观察到存在DNA的情况下内部分子机器是如何改变大小、形状和结构的。

在这篇文章中，牛津大学物理学系的Mark Leake研究组与牛津大学生物化学系的David Sherratt展开协作开发出了一种新的光学显微镜技术。

谈论中的分子机器是一种染色体结构维持（SMC，structural maintenance of chromosome）蛋白复合物：它们在每个活细胞中重塑遗传物质。它们与一个大家族分子的作用原理相似，这些分子充当小马达发挥各种功能，运输细胞内的重要物质使得肌肉收缩。

到目前为止，传统的生物物理学或生物化学技术无法快速或准确地在单分子水平上监控活细胞内这样的微型机器。

牛津大学物理学系Mark Leake 说：“就像攀岩爱好者紧挨着悬崖壁，每个机器以大致相同的方式起作用。它的一端锚定在一部分的细胞DNA上，另一端利用储存在三磷酸腺苷（ATP）中的化学能随机开启或关闭。

机器的这种开关动作本质上就是一个机械“抓取”的过程，它试图抓住更多游离DNA，就像攀岩者寻找新的搭手一样。

像这样的开创性的生物物理学实验有望提供对生命至关重要的复杂过程的新认识，为开发一种全新的方式在极小的长度范围内开展生物医学研究，了解许多人类疾病的病因，并开发出对抗它们的新策略铺平道路。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

In Vivo Architecture and Action of Bacterial Structural Maintenance of Chromosome Proteins

SMC (structural maintenance of chromosome) proteins act ubiquitously in chromosome processing. In Escherichia coli, the SMC complex MukBEF plays roles in chromosome segregation and organization. We used single-molecule millisecond multicolor fluorescence microscopy of live bacteria to reveal that a dimer of dimeric fluorescent MukBEF molecules acts as the minimal functional unit. On average, 8 to 10 of these complexes accumulated as “spots” in one to three discrete chromosome-associated regions of the cell, where they formed higher-order structures. Functional MukBEF within spots exchanged with freely diffusing complexes at a rate of one complex about every 50 seconds in reactions requiring adenosine triphosphate (ATP) hydrolysis. Thus, by functioning in pairs, MukBEF complexes may undergo multiple cycles of ATP hydrolysis without being released from DNA, analogous to the behavior of well-characterized molecular motors.