生命分子存在纏繞的現象。但是，DNA雙螺旋中那兩條熟悉的鏈是如何在沒有纏繞的情況下成功複製的，這就很難解釋了。

        在一項新的研究中，來自美國康奈爾大學的研究人員從拓撲學角度解決了這個問題。他們研究了這種雙螺旋形狀對DNA複製的影響。通過使用真核生物作為模型係統，他們發現染色質(由DNA、組蛋白和非組蛋白等成分組成)的內在機械性能決定著染色質纖維如何纏繞。相關研究結果發表在2019年10月17日的Cell期刊上，論文標題為“Synergistic Coordination of Chromatin Torsional Mechanics and Topoisomerase Activity”。

        這種拓撲結構對於成功分離新複製的DNA至關重要：如果染色質纖維纏繞得太緊太早，則這些新複製的DNA分子在細胞分裂過程中將無法正確分離。

        論文通訊作者、康奈爾大學文理學院物理學教授Michelle Wang說，“這項研究突出了物理原理在基本生物學過程中的重要性。”

        在DNA複製過程--複製體(replisome)將兩條DNA鏈分開並向前移動---中，DNA也必須繞雙螺旋軸纏繞。這會讓DNA承受很大的扭轉應力(torsional stress)，從而導致DNA發生額外的扭曲。

        問題在於：額外的扭曲在哪裏發生?如果額外的扭曲僅發生在複製體的正麵，那麼兩個子DNA分子將不會纏繞在一起，因此它們可以分開。但是，如果額外的扭曲發生在複製體的背麵，那麼兩個子DNA分子將纏繞在一起，無法分開。這將為細胞分裂過程中的染色體分離創造一個主要問題，這可能導致DNA損傷並導致細胞死亡或癌症。

        這些研究人員發現，纏繞單條染色質纖維比纏繞雙條染色質纖維要容易得多。這意味著額外的扭曲將優先發生在複製體的正麵，從而讓兩個子DNA分子之間的纏繞最小化。

        Wang說：“盡管染色質通常被認為是DNA複製的障礙，但我們的結果表明，染色質還簡化了複製拓撲結構，從而促進了DNA複製動力學。我們認為這是相當了不起的。”

        在一個單獨的實驗中，這些研究人員發現，一種能解開雙螺旋DNA的酶(拓撲異構酶II)強烈偏愛正麵的單條染色質纖維。染色質機械性能和拓撲異構酶活性似乎以協同方式協調，以減少子DNA分子之間的纏繞。

        為了了解染色質的機械行為，這些研究人員必須開發新的方法來處理它。由於這種任務的複雜性，以前尚未嚐試過製作編織染色質纖維(braided chromatin fiber，指的是兩條染色質纖維像編辮子那樣編織在一起)基質。Wang和她的團隊使用了他們先前開發的角向光阱工具(angular optical trap tool)以及其他方法來構建和處理單個染色質纖維基質和編織染色質纖維基質，從而使得他們能夠研究它們的扭轉機械性能。