準(zhǔn)確地重建一個(gè)復(fù)雜分子的各個(gè)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(dǎo)的一個(gè)研究小組所面臨的挑戰(zhàn)，該小組最近發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。特別是，科學(xué)家們研究了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)在高速通過納米孔時(shí)如何解壓縮，從該過程的唯一速度重建基本的DNA熱力學(xué)性質(zhì)。
聚合物通過納米孔的易位長(zhǎng)期以來一直作為一個(gè)基本理論問題及其若干實(shí)際分支進(jìn)行研究，例如用于基因組測(cè)序。我們記得后者涉及驅(qū)動(dòng)DNA絲穿過一個(gè)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(huì)分裂和展開，這種效應(yīng)稱為解壓縮。
該研究小組還包括第一作者巴里大學(xué)的安東尼奧蘇馬和坦普爾大學(xué)的文森佐卡內(nèi)維爾，他們使用一組計(jì)算機(jī)來模擬不同驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)中直接訪問，但很少有人對(duì)此進(jìn)行研究。
使用先前開發(fā)的理論和數(shù)學(xué)模型，研究人員能夠“逆向”工作，利用速度信息準(zhǔn)確地重建雙螺旋結(jié)構(gòu)形成和破裂的熱力學(xué)。
“以前的理論”，研究人員解釋說，“從分子系統(tǒng)熱力學(xué)的詳細(xì)知識(shí)出發(fā)，然后用于預(yù)測(cè)對(duì)或多或少侵入性外部壓力的反應(yīng)。這本身就是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。我們研究了逆向問題：我們從DNA對(duì)侵略性壓力的反應(yīng)開始，例如雙螺旋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)制解壓縮，以恢復(fù)熱力學(xué)的細(xì)節(jié)。”
“由于解壓縮過程的侵入性和快速性，該項(xiàng)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(xué)模型可以提供“我們?yōu)檫@個(gè)問題提供了一個(gè)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(shí)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(kuò)展到DNA之外的其他分子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)仍相對(duì)未被探索。一個(gè)典型的例子是所謂的分子馬達(dá)，蛋白質(zhì)聚集體利用能量進(jìn)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(qiáng)調(diào)，“對(duì)分子馬達(dá)的研究已經(jīng)開始，首先是對(duì)其熱力學(xué)提出假設(shè)，然后將預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。我們已經(jīng)驗(yàn)證的新方法應(yīng)該允許采取相反的路線，即使用來自外部的數(shù)據(jù)恢復(fù)熱力學(xué)的非平衡實(shí)驗(yàn)，具有明顯的概念和實(shí)踐優(yōu)勢(shì)。”
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