在物理学基本法则中，带有相同电荷的物体理应相互排斥。由于脱氧核糖核酸（DNA）分子本身普遍携带负电荷，两条DNA双螺旋链在接近时通常会产生强烈的静电斥力。然而在活体细胞内部，DNA分子却必须频繁实现近距离接触与精准配对，以驱动基因重组、基因沉默等基础生命过程。由英国约克大学与谢菲尔德大学联合主导的国际研究团队近日借助高分辨率原子力显微镜与分子动力学模拟，首次直接观测并揭示了DNA分子克服静电排斥、像“拉链”一样严密咬合的微观物理机制。
这一实验发现为约20年前提出的“静电DNA拉链模型”（DNA zipper model）提供了首个直接的微观结构可视化证据。早前理论假说认为，DNA周围溶液中的盐离子可能会在螺旋表面诱导形成交替分布的正负电荷模式，使得两条平行的DNA分子如同两座相互咬合的螺旋楼梯般紧密扣合。然而，由于分子尺度的作用力极度微弱且动态变化迅速，该假说此前始终停留在理论推演阶段，未能获得直接的实验成像验证。
在本次研究中，科研团队利用高精度原子力显微镜对短链DNA样本进行了纳米尺度的精细表面扫描，清晰观测到了两条DNA链沟槽对沟槽（groove for groove）的高度精确对齐。同步进行的超大规模计算机分子动力学模拟则进一步揭开了其背后的驱动力：带有双正电荷的微小金属离子（如二价阳离子）在溶液中扮演了至关重要的“分子桥梁”角色。这些带正电的离子能够精准嵌入DNA的螺旋沟槽内部，伸出犹如带电双臂般的相互作用力，同时牵拉住两条带负电的DNA分子，从而完全抵消并跨越了原本阻碍它们接近的静电排斥屏障。
研究还进一步指出，DNA链之间的配对强度并非均一分布，而是表现出显著的碱基序列依赖性。特定的DNA序列与金属离子结合的能力更强，会在基因组中形成一系列易于发生物理对齐与紧密锁定的“配对热点”（Pairing Hotspots）。
科学家表示，这一微观机制的阐明对于基础医学与生物工程具有双重指导意义。在疾病机制层面，识别基因组中的DNA配对热点有助于研究人员理解当特定突变破坏正常的染色质组装或重组配对时，如何引发细胞异常乃至诱发癌症；在生物技术层面，掌握DNA依靠离子桥梁实现自组装的物理规律，将为纳米工程师定制高强度、可编程的人工DNA纳米结构与药物递送载体提供全新的设计准则。