準確地重建一個復雜分子的各個部分是如何結(jié)合在一起的，只知道分子是如何扭曲和分解的——這是由SISSA的CristianMicheletti領(lǐng)導的一個研究小組所面臨的挑戰(zhàn)，該小組最近發(fā)表在《物理評論快報》上。特別是，科學家們研究了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)在高速通過納米孔時如何解壓縮，從該過程的唯一速度重建基本的DNA熱力學性質(zhì)。
聚合物通過納米孔的易位長期以來一直作為一個基本理論問題及其若干實際分支進行研究，例如用于基因組測序。我們記得后者涉及驅(qū)動DNA絲穿過一個非常狹窄的孔，以至于只有一條雙螺旋鏈可以通過，而另一條鏈則被留在后面。因此，易位的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)必然會分裂和展開，這種效應稱為解壓縮。
該研究小組還包括第一作者巴里大學的安東尼奧蘇馬和坦普爾大學的文森佐卡內(nèi)維爾，他們使用一組計算機來模擬不同驅(qū)動力的過程，以跟蹤DNA的解壓縮速度，這是一種數(shù)據(jù)盡管可以在實驗中直接訪問，但很少有人對此進行研究。
使用先前開發(fā)的理論和數(shù)學模型，研究人員能夠“逆向”工作，利用速度信息準確地重建雙螺旋結(jié)構(gòu)形成和破裂的熱力學。
“以前的理論”，研究人員解釋說，“從分子系統(tǒng)熱力學的詳細知識出發(fā)，然后用于預測對或多或少侵入性外部壓力的反應。這本身就是一個重大挑戰(zhàn)。我們研究了逆向問題：我們從DNA對侵略性壓力的反應開始，例如雙螺旋結(jié)構(gòu)的強制解壓縮，以恢復熱力學的細節(jié)。”
“由于解壓縮過程的侵入性和快速性，該項目似乎注定要失敗，這可能就是以前從未嘗試過的原因。但是，我們也知道，如果適用，正確的理論和數(shù)學模型可以提供“我們?yōu)檫@個問題提供了一個很有前途的解決方案。在分析了大量收集到的數(shù)據(jù)之后，我們很高興地發(fā)現(xiàn)情況確實如此;我們很高興我們有正確的直覺。”
該研究采用的技術(shù)是通用的，因此研究人員希望能夠?qū)⑵鋽U展到DNA之外的其他分子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)仍相對未被探索。一個典型的例子是所謂的分子馬達，蛋白質(zhì)聚集體利用能量進行循環(huán)轉(zhuǎn)換，非常像我們?nèi)粘Ｉ钪械囊妗?/p>
“到目前為止”，研究人員強調(diào)，“對分子馬達的研究已經(jīng)開始，首先是對其熱力學提出假設(shè)，然后將預測與實驗數(shù)據(jù)進行比較。我們已經(jīng)驗證的新方法應該允許采取相反的路線，即使用來自外部的數(shù)據(jù)恢復熱力學的非平衡實驗，具有明顯的概念和實踐優(yōu)勢。”
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