很少有哪种生物分子可以宣称像DNA那样得到了很好的研究。自从詹姆斯 · 沃森（James Waston）和弗兰西斯 · 克里克（Francis Crick）于1953年在剑桥大学发现了DNA的双螺旋结构以来，研究者们已经花费了数以10亿计的金钱和无数不眠之夜试图理解和操作这种生命的分子。他们已经完成了对20种生物体的全基因组的测序，而人类基因组的测序也将在今后几年内得以完成。但是实际上在所有这些研究中，研究者们研究的只是数千个拷贝的特定的DNA片断的集合的、成群的行为。现在，在世界上的数个生物物理实验室中，一场静悄悄的革命正在进行之中：研究者们正在想办法了解单股DNA链的行为。

正如生态学家们使用无线电探测器跟踪各种动物的活动一样，这些科学家们正在运用诸如激光和磁体之类的工具来获取大量关于DNA是怎样扭曲、翻转和伸展的新的信息。在这个迅速发展的领域的最近的工作中，研究者们正在越过这些简单的DNA分子的机械学而对不同的蛋白质剪切、拷贝和拼接的工作方式探索个究竟。这样的研究可以揭示例如一个马达蛋白在翻译遗传学密码成为RNA时沿着一条DNA链爬行的精确动力。这些复杂的观察甚至发现在某些位点马达蛋白工作快速而有效率，而其他时间则慢下来了。

“通过观察单个分子，你可以回答那些用传统的生物化学的粗线条的方法根本不可能解决的问题。”普林斯顿大学的生物物理学家史蒂文 · 布洛克（Steven Block）如是说。布洛克还认为，这样的研究“已经打开了这些全新的微分子机械学的领域，”即对分子水平机械的研究。通过对这些蛋白质机械的基因进行操作，研究者们将可以了解它们的结构是如何影响它们的作用的。这将“使你可以研究导致运动的分子机械原理，”布洛克说。马萨诸塞州沃尔瑟姆的布兰代斯大学的生物化学家杰夫 · 盖利斯（Jeff Gelles）补充说，“我认为实际上所有的DNA酶都将可以用这种方式加以研究。”

DNA和其相关蛋白质并不是单分子研究者们研究的唯一分子。化学家们正在运用这种方法来跟踪一系列单个分子的变化。但是人们对DNA和其相关蛋白质的兴趣部分是因为DNA在细胞结构与功能中的中心作用，另外还有更多的实践用途的考虑。其中有DNA的巨大的分子大小（最大的人类染色体完全伸展开来可以长达9厘米）和它的粗糙不平的结构。“DNA在工作中是一种非常稳固的分子，所以它是一种好的研究模型。”巴黎Ecole Normale Supérieure（ENS）的生物物理学家文森特 · 克劳奎特（Vincent Crouquette）说。

操作DNA的关键是开发光学捕捉机，即利用高度聚焦的激光束来清除塑料小球和其它颗粒及其操作微小物体的相关技术。通过将微小球体连接在一条DNA链的任何一端并且操作激光束，研究者可以监测分子的机械学，从根本上了解DNA在伸展和扭曲时能够承受多大的力。在90年代中期，各个研究组发现，当DNA分子被牵拉离开各个末端时，最初被牵拉成一种橡胶带状。进一步用力牵拉时，DNA双链实际上在一定程度上解旋，在完全裂开之前链进一步伸展。这些知识似乎有些不可思议，它表明DNA的机械性能对一些酶与之反应的机理是关键的。

例如，在一项新近的研究中，克劳奎特和他的ENS同事们发现，当细胞核内DNA转录成RNA的时候，一种新的卷曲模式结构发生了机械运动。研究者们在一条DNA链的末端黏附上一个磁珠，另一端则固定在一个玻璃滑板上。然后他们应用一个磁场使磁珠旋转，扭动螺旋链使其自身卷曲，就像螺旋卷曲的电话线卷曲那样。当他们改变磁场使磁珠反向旋转时，他们发现只要一个微小的外力就可以产生一种新的结构类型——完全使DNA双螺旋由M到外地翻转——这种现象以前已经证明在RNA多聚酶转录DNA为RNA时发生。这表明——尽管还需要证实——在一条DNA链复制时这种酶促使原本困难的扭动变得更加容易了。

单分子研究正在为RNA聚合酶作用于DNA的方式带来新的知识。例如，在1998年10月30日的《科学》杂志上，一个由以前在普林斯顿大学布洛克实验室做博士后的米歇尔 · 王（Michelle Wang）领导的小组，报告了他们已经能够测量出一个单个的RNAP分子在其沿着一条DNA链爬行时能够行使的力的大小，并在此过程中制作出一套DNA密码的RNA版本。布洛克说，为了做到这一点，该小组“掀起了世界上最小的竞争并且跟上了它。”

首先他们将一个RNAP分子锚定在一个玻璃滑板上，然后，他们将一段双链DNA的一端连接在一个塑料珠上，这样他们就可以用激光光钳前后移动它，并将另一端注入RNAP。在正常情况下，RNAP沿着DNA链移动，拉开双链中的两股单链，从其中一股链上读取DNA密码，并且拼接起每个碱基对的RNA版。但是，在这种情况下，因为RNAP是固定的，它的作用力拉动DNA通过它，就像水手拉动船帆一样。当该链被拉紧的时候，研究者们就可以拉动塑料珠并证明RNAP可以产生一个巨大的25皮克牛顿的力来——这样的力是使肌肉收缩的蛋白质肌动蛋白能产生的力量的4倍。布洛克说，“RNA多聚酶是到目前为止已经研究的机械酶中最为强有力的一种。”

但是它并不是目前唯一受到仔细研究的一个酶。上个月（1999年2月，译者注）在马里兰州巴尔的摩举办的生物物理学会上，布洛克的博士后托马斯 · 珀金斯（Thomas Perkins）报告说，普林斯顿小组已经成功地利用一种称为λ核酸外切酶的完全不同的类型的马达蛋白进行了一次类似于他们的“RNAP拔河”的实验。

在这种情况下，当研究者们建立起了他们的作用力微计量仪时，他们发现马达蛋白能够发出至少5皮克牛顿的力。但是，与由细胞内普通的能源ATP供给动力的RNAP和其它分子马达不同，λ核酸外切酶的能源是由DNA断裂键所释放出的能量所提供的。珀金斯说，现在，新的实验允许研究者们探索λ核酸外切酶在一次伸展中可以剪切多少个DNA碱基，并且探索这是以固定方式发生呢还是以偶尔方式发生，这些信息很可能对那些对DNA单链进行测序的研究者是很关键的。

几乎每个月都不断出现其它奇妙的操作DNA的微马达的例子。例如，在加州大学伯克莱分校的卡洛斯 · 巴斯塔曼特（Carlos Bustamante）及其同事们正在应用单分子技术研究细胞将其1米长的DNA包装进入其仅有1米的百万分之几大小的细胞核的复杂方式。在这个包装过程中核心的是染色质，包绕在一系列蛋白质上的DNA的拼接体。“染色质的结构对基因的表达是最为重要的，”巴斯塔曼特说，因为该结构决定了哪些基因已经可以接触称为转录因子的其它蛋白质从而打开基因表达。所以巴斯塔曼特小组正在全力以赴地研究单个染色质以便了解使这些分子集合在一起的力。

同时在ENS，克劳奎特和他们的同事们正在揭开一种称为拓扑异构酶的神秘面纱，DNA在细胞核内解旋时该酶可以自动解开它在DNA中形成的结并在细胞分裂期间复制。克劳奎特说，理解了这个分子马达是如何工作的，就可以加快开发新的抗癌药物，通过阻滞该酶来阻止癌细胞分裂。

它是一个刚刚开始的领域，全球的研究小组们已经进一步了解一系列的其它酶类，例如转录因子以及螺旋酶和回旋酶，它们帮助在细胞核内包装和卸开DNA螺旋。有了单分子生物物理学，现在有大量的细胞内的分子机理正在被揭开其神秘的面纱。

[Science，1999年3月19日]