通过结合两个高度创新的实验技术，伊利诺伊大学香槟分校的科学家们首次同时观测到DNA修复中关键的特定蛋白质的结构及相关功能，这给一些饱受争议的问题提供了明确的解答，并提供了新的探究生物工程的途径和令人兴奋的新的可能性。

在分子水平上研究系统生物学的科学家多年来一直在研究蛋白质分子的结构——原子怎样被组织——来阐明各个蛋白质分子在细胞中的功能。反之亦是如此：观察到具体作用尤其是特定的蛋白质分子已经在各自的分子的构象上提供了重要的线索。但直到最近，我们最先进的实验室也只能一次研究一个——静态或动态的功能——并从结果推导出其他。这种间接的方法往往不能提供明确的答案。

现在，伊利诺伊州的生物物理学家Taekjip Ha和Yann Chemla结合了两大尖端的实验室技术直接得到了蛋白质结构与功能的关系。Ha为人所知的是他创新的单分子荧光显微镜技术和光谱技术。Chemla是光学捕获技术的顶级专家。二者相结合的方法——同时使用荧光显微镜和光学诱捕——得到了结构和功能方面更加明确的答案。

通过协作，Ha和Chemla分别在他们的实验室应用了上述技术，得到具有决定性的结果。这些实验的结果已作为两篇独立的文章发表在4月17日出版的科学（Science）杂志上。

Chemla的实验团队调查了解旋酶UvrD的结构与功能的关系，UvrD是在大肠杆菌（E. coli）中发现的一种蛋白质，在DNA修复时通过解旋和解压缩来打开双链。人类也有执行同样重要功能的等效蛋白质。Chemla的团队研究的第一个问题就是需要多少UvrD蛋白完成这个任务——最近科学家之间存在着1-2个争议。

“我们回答这个问题的方法是，” Chemla解释道，“给每个蛋白加上荧光分子——因此可以进行统计。然后我们用光学陷阱技术观察解旋过程。我们观察到单个UvrD解旋酶可以做什么——它可以解旋DNA，但距离并不远。只是来来回回一段小的距离，所以我们把它称为'摇摆分子'。当有两个UvrD分子时，看起来就会解旋得更长，也不会来回得太多。”

Chemla的团队还解决了在UvrD的结构与功能关系方面的一个问题。在处于“开”或“关”位置时，UvrD有两种不同的结构或状态。每个状态相关联的功能已被专家讨论了很多年。

“这次我们使用了smFRET（单分子荧光共振能量转移）。我们把两种染料放到一个分子上，基于它们之间的距离，我们可以看到的一个或另一个光色，这表明该分子是在开启或是关闭的位置。然后，我们使用光学陷阱来观察该分子是否解旋了双链DNA。

“我们发现这些分子实际上是从开放到封闭然后又旋转回去。事实证明，使用一个扭矩扳手的动作，封闭状态可解旋双链。开放状态让双链重新压缩。”

在Ha的实验室，团队设计了一个结构上同源的解旋酶蛋白Rep，通过使用一个交联分子“tape”在封闭的或开放的状态绑定其上。

研究小组发现，当锁定在关闭位置时，它就变成了超级解旋酶，能够解旋很长的双链DNA。锁定在打开位置时，解旋酶是失效的——它不执行任何任务。

分子生物工程师执行特定任务的能力有希望带来应用，包括使用纳米孔进行快速DNA测序技术。

Ha评论说：“基于对解旋酶功能的基本了解我们设计出的超级解旋酶，可以作为一个强大的生物技术工具用于偏远地区的病原DNA的敏感检测。”

研究团队在另一个称为PcrA的结构同源蛋白上进行了重复实验，并得到了相同的结果。该小组还能够进一步展示另一个蛋白如何与PcrA相互作用，并已知有助于其目的实现的有效性。该小组还证明，加入的蛋白质能在关闭的状态下锁定PcrA。

“蛋白质是多变的，” Chemla解释道。“每个都可以具有多种功能。其它蛋白质的存在可通过改变其结构以确定哪个功能是活跃的。”

这项工作发表在科学（Science）杂志上。