科学家们现在捕捉到了这一过程的极其详细的景象。利用强大的原子力显微镜，研究人员观察到了短片段DNA以非凡的精度进行排列，彼此之间沟对沟地精确匹配。随后的计算机模拟揭示了似乎使这种紧密接触成为可能的原因：带正电荷的金属离子可以定居在DNA的沟槽中，并在两个分子之间充当微小的分子桥梁。
微小离子帮助DNA克服排斥力
约克大学物理、工程与技术学院的Agnes Noy教授共同领导了这项研究。她说：“这一发现可以帮助研究人员识别基因组中特别参与DNA配对的区域。当突变破坏正常细胞过程并导致癌症时，这些区域可能变得尤为重要。”
这些结果为大约二十年前提出的一种被称为“DNA拉链”模型的观点提供了实验支持。伦敦帝国理工学院的Alexey Kornyshev教授及其合作者最初提出，DNA周围的盐离子可以产生交替的电荷模式。根据该模型，这些模式将帮助相邻的DNA分子彼此对齐，就像两个相互咬合的螺旋楼梯一样。
直到现在，直接观察这一提出的机制仍被证明是困难的。
科学家对“DNA拉链”进行验证
为了研究这一过程，研究人员利用原子力显微镜扫描了DNA样本，这是一种能够在极小尺度上绘制表面图谱的技术。这些扫描使团队能够构建详细的地形图，显示DNA分子的位置。
与此同时，复杂的计算机模拟追踪了在DNA周围移动的各个原子和离子。结合这两种方法，研究人员既获得了DNA配对的直观视图，也找到了理解其背后分子作用力的方法。
模拟表明，双电荷金属离子可以有效地表现得像两只带电的手臂。每个离子可以同时与两个DNA分子相互作用，在分隔它们的间隙中形成一座桥梁，并帮助维持两条链的对齐。
谢菲尔德大学化学材料与生物工程学院的共同第一作者Thomas Catley博士说：“能够第一次直接可视化这一长期假设的机制真是太不可思议了。我们掌握的先进成像技术使我们能够揭示这些关键的DNA相互作用，这对许多关键细胞过程具有重要意义。”
来自谢菲尔德大学负责执行模拟的Victor Velasco-Berrelleza博士补充道：“显微镜向我们展示了发生了什么，而模拟使我们能够揭示其背后的分子机制。”
某些DNA序列配对能力更强
研究人员还发现，DNA并非在每一段序列上都能同样良好地配对。某些DNA片段比其他片段产生了更强的接触，形成了明显的“热点”，即两条螺旋特别容易排列在一起的地方。
这一发现可以帮助研究人员精确定位基因组中特别参与DNA识别和配对的部分。当突变干扰正常细胞活动并导致癌症时，这些区域可能变得尤为重要。
这一发现还可能具有医学以外的用途。由于某些DNA序列可以被编程为比其他序列具有更强的相互作用，科学家最终或许能够利用这些特性，为生物技术构建定制的DNA结构。
这项题为“二价离子介导的DNA-DNA识别的成像与机制”的研究发表在《核酸研究》期刊上。