修补破损的 DNA：研究人员解决了令人费解的生物搜索问题
RecA 灯丝的插图。来源：大卫古德塞尔
多年来，细胞如何使用另一个 DNA 副本作为模板来修复破损的DNA，一直困扰着研究人员。如何在细胞繁忙的内部找到正确的序列？乌普萨拉大学的研究人员现已发现了解决方案；如果你被蒙上眼睛，找绳子比找球更容易。
当一个 DNA 分子一分为二时，细胞的命运就会受到威胁。从细菌的角度来看，快速修复断裂是生死攸关的问题。但是要在不引入序列错误的情况下修复 DNA 是具有挑战性的。修理机器需要找到一个模板。使用来自姐妹染色体的模板修复断裂 DNA 的过程被称为同源重组，并且在文献中有很好的描述。然而，描述通常忽略了在所有其他基因组序列中找到匹配模板的艰巨任务。染色体是一个复杂的结构，具有数百万个碱基对的遗传密码，很明显，简单的 3D 扩散不会足够快。但是，它是如何完成的呢？这是50年来同源重组的谜团。
现在，以约翰·艾尔夫教授为首的乌普萨拉研究小组终于找到了解决这个搜索之谜的方法。在《自然》杂志上发表的一项研究中，他们使用基于 CRISPR 的技术在细菌中进行受控的 DNA 断裂。通过在微流控培养芯片中培养细胞并用荧光显微镜跟踪标记的 RecA 分子，研究人员可以从头到尾对同源重组过程进行成像。
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“微流控培养芯片使我们能够同时追踪数千种细菌的命运，并及时控制 CRISPR 诱导的 DNA 断裂。它非常精确，几乎就像拥有一把微小的 DNA 剪刀，”该研究背后的研究人员之一 Jakub Wiktor 说。
RecA 上的标签和 DNA 上的荧光标记使研究人员能够准确地跟踪过程的每一步；例如，他们得出的结论是，整个修复平均在 15 分钟内完成，而模板大约在 9 分钟内完成。使用显微镜，Elf 和他的团队实时调查断裂点的命运及其同源副本。他们还发现，细胞通过重新排列 RecA 形成跨越细胞长度的细丝来做出反应。
“我们可以看到在 DNA 损伤后从断裂部位突出的薄而灵活的结构的形成。由于 DNA 末端被掺入到这种纤维中，因此纤维的任何部分都足以找到宝贵的模板，因此理论上搜索从三个维度减少到了二维。我们的模型表明，这是快速成功地进行同源性修复的关键，”Arvid Gynnå 说，他在整个博士学习期间一直致力于该项目。
从 3D 搜索到 2D 搜索对于足够快地找到同源序列的概率来说确实是一个相当大的改进，或者事实上，根本没有。正如日本数学家角谷静雄所说：“醉汉会找到回家的路，醉鸟可能永远迷失”。用这些话，他试图解释一个奇怪的事实。通过随机游走探索 2D 表面的物体迟早会找到回到起点的路，而在 3D 空间中，它很可能永远不会返回“家”。
乌普萨拉的研究人员在模式生物大肠杆菌中进行了他们的研究，但同源修复过程对于我们这样的高等生物或鸽子来说几乎是相同的。DNA 损伤经常发生在我们的身体中，如果没有修复断裂 DNA 的能力，我们将非常容易受到紫外线和活性氧等物质的伤害，并且更有可能患上癌症。事实上，大多数致癌基因都与 DNA 修复有关，新的机制见解可能有助于我们了解肿瘤生长的原因。
有谁知道，生物陶瓷跟陶瓷植入材料的区别？文字游戏吧，应该说生物陶瓷这个说法更专业一些，指具有生物相容性的陶瓷材料。陶瓷植入材料的话就不够专业了，随便找一种陶瓷做植入材料也可以了哈