DNA複製是生命的根本，遺傳信息在各代細胞之間的忠實傳遞對所有生物體的生存和健康至關重要。它是由一個錯綜複雜的細胞機器進行的，被稱為複制體，由蛋白質構建塊組成。這個機器的一個關鍵組成部分是CMG，它是在DNA複製過程中為複制體提供動力的分子馬達。

CMG的重要任務是分離DNA雙螺旋的兩條鏈，以便它們所編碼的信息能夠被讀取和復制。研究人員和該出版物的第一作者Daniel Ramírez Montero說：”了解CMG如何沿著DNA移動對於我們理解DNA複製至關重要。研究DNA複製是非常重要的，因為這一過程中的錯誤可能導致遺傳疾病或癌症。”

實驗裝置示意圖：（上圖）用光學鑷子（紅色光束）固定含有CMG的DNA分子，同時用掃描激光（綠色光束）對其進行拍照；CMG馬達用藍色描述。下圖）用光學鑷子固定在未標記的DNA分子上的熒光標記的CMG分子馬達（綠點）的實際圖像。資料來源：改編自Ramirez Montero, et al, Nature Communications, 2023。

在活細胞中，CMG是通過涉及36種不同蛋白質的複雜的生物化學反應級聯來組裝和激活的。由斯賓諾莎獎得主Nynke Dekker教授領導的一組代爾夫特大學研究人員與弗朗西斯-克里克研究所小組負責人John Diffley博士合作，開發了一種在細胞外進行這一嚴格控制的過程並測量單個CMG分子馬達運動的方法。研究人員從細胞中提取了所有36種蛋白質，在DNA上建立起CMG。通過將熒光標籤附著在一些蛋白質上，他們可以在熒光顯微鏡下直接觀察CMG分子馬達的運動。

“通過這種新方法，我們能夠觀察到從無到有的單個CMG的運動。我們用光學鑷子夾住含有CMG的DNA不動，以便於觀察，然後拍攝CMG沿DNA移動的影片。”Ramírez Montero解釋說：”通過這種方式，我們可以首次在單分子水平上測量其運動。”

CMG馬達沿著一個由光學陷阱固定的DNA分子移動的例子。資料來源：摘自Ramírez Montero, et al., Nature Communications, 2023。

利用他們自下而上的方法，結合尖端的生物化學和生物物理學，該研究小組首次能夠直接看到從頭開始組裝的單個CMG馬達的運動，並以前所未有的分辨率測量這種運動。此外，他們還意外地發現，當一種叫做ATP的關鍵分子不存在時，CMG可以沿著DNA隨機移動；此外，他們還表明，隨後ATP的重新結合使得CMG能夠緊緊抓住DNA，從而停止其隨機運動。這種停止是很重要的，因為它可能促進了CMG的激活，這是啟動DNA複製的一個關鍵過程。

這項工作將為進一步的研究鋪平道路，這些研究可能會發現DNA複製中關鍵過程的未知細節。這些發現反過來可以讓我們更接近了解細胞如何在每次細胞分裂時忠實地傳遞它們的遺傳信息，以及更好地了解這一過程中可能導致遺傳疾病或癌症發展的錯誤。

生物系統乍看之下可能非常複雜和混亂，但通過在這種分辨率下觀察它們，我們可以理解它們背後簡單而優雅的物理學。