這項研究由城大物理學系助理教授代亮博士，與來自武漢大學的合作者共同領導。由于扭轉（twist）是DNA雙螺旋的關鍵結構參數，他們重點研究DNA在變形過程中DNA扭轉的變化。增加DNA的扭轉角度不但會形成DNA超螺旋（supercoils），還會增加DNA“解鏈（unzipping）”的能量消耗，從而抑制基因表達。而基因表達其中一個關鍵的步驟，就是將雙螺旋DNA“解鏈”成兩條單螺旋DNA，以讀取DNA的序列。相反，減少DNA的扭轉數量則會促進基因表達。代博士舉例說：“細菌會主動控制DNA的扭轉角度或DNA超螺旋來調控基因表達。”

代博士和合作研究人員于研究中觀察到，當鹽的濃度和溫度發生變化時，DNA的扭轉亦發生了顯著變化。他們的實驗表明，DNA的扭轉會隨著氯化鈉（NaCl）和氯化鉀（KCl）的濃度上升而增加。

破解出扭轉變化背后的機制

研究人員觀察到由鹽濃度變化誘發出扭轉變化的驚人結果，驅使他們找出背后的物理機制。代博士指出，相關機制相當復雜，因為DNA存在著各種的相互作用，例如氫鍵、堿基堆積（base stacking）和靜電相互作用。而改變鹽濃度亦會改變DNA中的許多相互作用，這些相互作用通過不同的傳導途徑影響DNA扭轉，于是令最終的扭轉變化難以捉摸。

代博士和他的合作研究人員某程度上破解了相關機制，建立出一個簡單的物理模型來揭示由鹽所誘發的扭轉變化機制。代博士進一步說：“我們發現更多的鹽會加強螺旋之間靜電排斥的屏蔽（screening），從而縮短了DNA的直徑，最后轉化成增加的扭轉。”

不單是鹽濃度，同一物理模型更能定量地解釋由溫度所引起的DNA扭轉變化。基于該物理模型的解析公式，研究團隊推導出DNA扭轉隨溫度改變的變化值，并發現與實驗結果定量吻合。這意味著由鹽和溫度誘發的DNA扭轉變化此兩種獨立現象，是由相同的機制所驅動。

代博士說：“此問題的答案在過去20年間一直眾說紛紜。”科學家一般預計，拉伸應該會減少DNA的扭轉。然而，2006年一項實驗卻觀察到拉伸反而會增加DNA扭轉的趨勢。不過2014年，另一項實驗則觀察到拉伸減少了RNA扭轉，與DNA的趨勢相反。代博士坦言：“RNA和DNA具有相似結構，但居然顯示出相反的反應，這結果令人非常驚訝。”

在仔細分析各種條件下受外力促成的DNA和RNA扭轉變化后，研究團隊發現，取決于DNA或RNA所處的狀況，拉伸其實能增加亦能減少扭轉。代博士總結道：“我們基本上歸納出四種DNA和RNA的拉伸情況，而之前的研究只觀察到當中的幾種。”

研究團隊提出了統一的機制來解釋該四種情況。拉伸標準的DNA和已被壓縮的RNA會使它們扭轉得更多；相反，拉伸已延長的DNA和標準的RNA，會令它們扭轉得更少。

他們的研究結果已于學術期刊《Physical Review Letters》（《物理評論快報》）上發表，題為〈Multivalent Cations Reverse the Twist-Stretch Coupling of RNA〉。代博士、張教授以及譚教授均是論文的通訊作者。而來自城大物理學系的田馥嘉亦有參與研究，其他研究人員則來自武漢大學。

上述兩項研究獲得香港研究資助局和國家自然科學基金委員會的資助而進行。

DOI number: 10.1126/sciadv.abn1384 and 10.1103/PhysRevLett.128.108103