在朝着理解DNA在活细胞中真实状态（而非实验室洁净环境）迈出的重要一步中，西北大学的科学家挑战了一个关于生命最基本过程之一的长期假设：DNA链分离。他们的发现表明，在DNA天然、紧密堆积的细胞环境中，解开双螺旋所需的机械力可能远高于先前认知。这一发现可能改写我们对DNA复制、修复和表达机制的许多理解。
真实世界中的DNA vs. 实验室中的DNA
传统上，生物化学家一直在相对理想的条件下研究DNA：分离在水基溶液中，不受其他生物分子干扰，常加热至超过150°F以分离其两条链。虽然这种操作对实验室实验有效，但忽略了活细胞内的现实：DNA并非在稀释溶液中自由漂浮，而是处于一个充满蛋白质、酶、RNA和结构复合物的分子“丛林”中。
“细胞内部充满了分子，而大多数生物化学实验都是在‘不拥挤’的条件下进行的，”西北大学温伯格文理学院分子生物科学和物理学教授John Marko说，“你可以把额外的分子想象成台球。它们不断撞击DNA双螺旋，阻止它打开。”
换句话说，由于分子拥挤，活体内的DNA处于持续的机械应力之下。然而，直到现在，这种拥挤对DNA力学的确切影响在很大程度上还是未知的。
用磁镊近距离观察
为了研究DNA在更真实条件下的行为，Marko和博士后研究员Parth Desai使用了一种精巧而强大的工具：磁镊。这些微型设备使他们能够抓住单个DNA分子的两端——将一端固定在表面上，另一端连接到磁珠上。通过操纵磁场，他们可以施加精确的力来拉伸和扭转DNA，模拟复制或修复所需的解旋过程。
这种方法并不新鲜——Marko在25年前就是最早提出并使用它的人之一——但这一次，两人增加了一个新的变化。他们向溶液中引入各种小分子，以模拟细胞内的拥挤环境。他们的目标是量化分子拥挤如何改变分离DNA链所需的机械应力。
模拟拥挤的细胞
Desai选择了三种类型的分子：甘油、乙二醇和聚乙二醇。每个分子的大小与DNA双螺旋相当（约2-3纳米），并代表了细胞拥挤的不同方面。
“我们希望拥有各种各样的分子，其中一些会导致脱水，从机械上破坏DNA的稳定性，而另一些则会稳定DNA，”Desai解释说。
例如，甘油会与DNA竞争水，实际上使螺旋脱水并使其不稳定。另一方面，聚乙二醇在不竞争水的情况下增加溶液的体积，更像真实细胞中发现的拥挤蛋白。乙二醇则介于两者之间。
这些模拟并非细胞内环境的完美复制品，但它们作为真实生物分子如何与DNA相互作用的有效类似物。“你可以想象细胞中其他竞争的蛋白质会有类似的效果，”Desai说，“例如，如果它们竞争水，它们会使DNA脱水；如果它们不竞争水，它们会使DNA拥挤并产生这种熵效应。”
所需力比先前认为的更大
那么，他们发现了什么？很简单，在拥挤的溶液中分离DNA链比在洁净、稀释的溶液中需要更大的力。用可量化的术语来说，在拥挤剂存在的情况下，解开DNA所需的阈值力会增加——有时是显著增加。
这听起来像是一个技术细节，但这一发现可能波及多个领域，从分子生物学和基因组学到医学和生物技术。DNA链分离不仅是复制和修复的核心，也是转录（从DNA模板合成RNA）和CRISPR等基因组编辑技术的关键。
对医学和生物技术的影响
“尽管是基础研究，但这类研究一直是许多、许多、许多医学进步的基础，”Marko说。确实，理解DNA的真实力学机制可以使科学家用于基因诊断、治疗和操作的工具更加精准。
以基因组测序为例。现代技术可以在不到一天的时间内解码整个人类基因组——这一惊人成就得益于数十年来对DNA物理和化学的研究。但是，如果我们对DNA力学的基本理解因不切实际的实验室条件而不完整或有偏差，那么我们的工具和方法也可能在错误的假设下运行。
“如果这影响DNA链分离，那么所有蛋白质与DNA的相互作用也会受到影响，”Marko指出，“例如，蛋白质粘附在DNA上特定位点并控制特定过程的趋势——这也会因拥挤而改变。”
这意味着从基因调控到DNA修复酶的一切，在拥挤与不拥挤的环境中可能表现出不同的行为。
迈向真正的细胞模型
西北大学团队的下一步同样雄心勃勃。Marko和Desai希望构建更复杂的细胞内环境模拟。通过结合多种拥挤剂，并可能包含核小体和染色质结构等实际细胞成分，他们旨在开发一个更真实的DNA在生物体内功能的模型。
这一方向可能开启生物物理学的新时代，一个试图复现（而非简化）生命复杂性的时代。“我们的目标是尽可能精确地模拟细胞内部，”Marko说，“然后研究酶、修复蛋白和调控元件在那个更真实的环境中的行为。”
重新思考DNA：一台动态机器
从这项研究中浮现出一个惊人的新视角：DNA不是被动、稳定的分子，静静等待被读取、复制或修复，而是一个动态、灵活的结构，不断与物理力、分子噪音和环境应力抗争。
它不仅是生命的密码，更是一台在摩擦、压力和竞争中运行的分子机器。就像任何机器一样，它的性能不仅取决于其内部机制，还取决于其运行的外部条件。
通过退一步考虑DNA的天然环境，Marko和Desai正在改变科学家看待生命蓝图的方式。在此过程中，他们提醒我们，生物学不仅关乎发生了什么，更关乎在哪里以及如何发生。
更大的图景
这项研究的核心表明，环境因素至关重要——或许比我们想象的更重要。几十年来，科学家一直将DNA视为活在试管中的分子，我们的许多突破都源于这一视角。但随着我们转向精准医学、合成生物学和日益复杂的生物工程，在真实环境中理解DNA变得至关重要。
就像天气模型必须考虑大气压力和风场一样，生物模型必须包括分子拥挤、竞争和熵力。没有它们，我们只看到了全貌的一半。
而凭借现在可用的工具——如磁镊、高分辨率成像和生化拥挤模拟——我们可以开始填补画布的其余部分。
Marko和Desai的工作不仅仅是DNA研究的新篇章。它是一个全新故事的开始——在这个故事中，环境不仅仅是背景，更是生命展开剧本的共同作者。
参考原文： Parth Rakesh Desai et al, Molecular Crowding Suppresses Mechanical Stress-Driven DNA Strand Separation, Biophysical Journal (2025). DOI: 10.1016/j.bpj.2025.04.024.