לראשונה, מדענים היו עדים לרגע הרגע ה- DNA מתחיל להתפרק, וחושף אירוע מולקולרי הכרחי עבור ה- DNA להיות המולקולה המקודדת את כל החיים. מחקר חדש של אוניברסיטת קינג עבדאללה למדע וטכנולוגיה (KAUST), שפורסם ב- Nature, לוכד את הרגע שה- DNA מתחיל להירגע, ומאפשר את כל האירועים הבאים בשכפול DNA. תצפית ישירה זו שופכת אור על המנגנונים הבסיסיים המאפשרים לתאים לשכפל נאמנה את החומר הגנטי שלהם, אבן יסוד לצמיחה ורבייה.
בעזרת מיקרוסקופיה של קריו-אלקטרונים ולמידה עמוקה כדי להתבונן בנגיף הסימיאן של הליקאז 40 אנטיגן גדול של גידולים באינטראקציה עם DNA, המעבדות של עוזר קוסט פרופסור אלפרדו דה ביאסיו ופרופסור סמיר חמדאן מספקים את התיאור המפורט ביותר של הצעדים הראשונים של שכפול ה- DNA: 15 מצבים אטומיים המתארים את כוחות הדאנאייז. ההישג הוא לא רק אבן דרך במחקר הליקאז, אלא גם אבן דרך בהתבוננות בדינמיקה של כל אנזים ברזולוציה אטומית.
אמנם מדענים ידעו זה מכבר את חשיבות ההליכה בשכפול DNA, "הם לא ידעו כיצד DNA, מסוקים ו- ATP עובדים יחד במחזור מתואם כדי להניע את ההרפיה של ה- DNA," אמר דה ביאסיו.
כאשר ווטסון וקריק דיווחו על הסליל הכפול בשנת 1953, הם נתנו לקהילה המדעית הבנה פורצת דרך של אופן מאוחסן ומועתק מידע גנטי. כדי ש- DNA ישכפל, על הסליל להירגע תחילה ולשבור את ה- DNA מגדיל כפול לשני גדילים בודדים.
עם הכריכה, מסוקים ממיסים את ה- DNA, ושוברים את קשרי הכימיקלים המחזיקים את הסליל הכפול יחד. לאחר מכן הם מפרקים את שני הגדילים, ומאפשרים לאנזימים אחרים להשלים את השכפול. ללא צעד ראשון זה, לא ניתן לשכפל DNA. בדרך זו, מסוקים הם מכונות או בגלל גודלם, ננומכונים.
אם מסוקים הם ננומכונים, אז 'ATP', או אדנוזין טריספוספט, הוא הדלק. בדומה לאופן שבו גז בוער מניע את הבוכנות של מנוע מכוניות, שריפת ATP, אותו דלק המשמש לכפיפה של השרירים שלך, גורם לששת הבוכנות של מסוק להירגע DNA. המחקר מצא כי ככל שנצרך ATP, הוא מפחית אילוצים פיזיים המאפשרים למסוק להמשיך לאורך ה- DNA, ומרתיע יותר ויותר מהגדיל הכפול. לפיכך, צריכת ATP פועלת מתג המגדיל את כמות האנטרופיה – או הפרעה – במערכת, ומשחרר את המסוק כדי לנוע לאורך ה- DNA.
המסוק משתמש ב- ATP שלא כדי לחטט DNA זה מזה בתנועה אחת, אלא כדי לסובב שינויים קונפורמציונליים המרתקים את היציבות והפריד בין הגדילים בהדרגה. שריפת ATP, או הידרוליזה, פונקציות כמו הקפיץ במלכודת עכבר, חוטף את המסוק קדימה ומושך את גדילי ה- DNA זה מזה. "
אלפרדו דה ביאסיו, פרופסור עוזר קאוסט
בין התגליות הרבות שנעשו על ידי מדעני הקאוסט היו ששני מסוקים ממיסים את ה- DNA בשני אתרים בו זמנית כדי ליזום את ההרפיה. הכימיה של ה- DNA היא כזו שננו -מכונות עוברות לאורך גדיל DNA יחיד בכיוון אחד בלבד. על ידי כריכה בשני אתרים בו זמנית, המסוקים מתואמים כך שהפתילה יכולה לקרות לשני הכיוונים עם יעילות אנרגטית הייחודית לננו -מכונות טבעיות.
היעילות הזו, מסבירה דה ביאסיו, הופכת את חקר שכפול ה- DNA ליותר מאשר ניסיון לענות על השאלות המדעיות הבסיסיות ביותר על החיים, הוא גם מייצר מודלים של מסוקים לעיצוב ננו -טכנולוגיה חדשה.
"מנקודת מבט תכנון, מסוקים מדגימים מערכות מכניות חסכוניות באנרגיה. ננומכיות מהונדסות באמצעות מתגי אנטרופיה עלולים לרתום מנגנונים דומים חסכוניים באנרגיה לביצוע משימות מורכבות ומונעות כוח", אמר.
