Il meccanismo della duplicazione è abbastanza complicato. Perché il DNA si duplichi, il filamento stampo deve interagire con un enorme complesso proteico, detto complesso di duplicazione, che catalizza le reazioni necessarie al processo. Il complesso di duplicazione si lega al DNA in corrispondenza di una particolare sequenza di basi, detta origine della duplicazione (ori). A partire dall’origine della duplicazione, il DNA si duplica in entrambe le direzioni, formando due forcelle di duplicazione. Tutti e due i filamenti della molecola di partenza, una volta separati, agiscono contemporaneamente da stampo per la formazione di nuovi filamenti, guidata dalla complementarietà delle basi. In questa fase, dati recenti mostrano che il complesso di duplicazione sta fermo, fissato a strutture nucleari, mentre il DNA si sposta, infilandosi nel complesso come filamento singolo e riemergendone a doppio filamento (▶figura 12).

Tutti i complessi di duplicazione contengono alcune proteine che svolgono svariate funzioni e che descriveremo nel prendere in esame le fasi del processo. Il primo evento che si verifica nel punto di origine della duplicazione è l’apertura (denaturazione) localizzata del DNA: un enzima elimina i legami idrogeno e le interazioni idrofobiche che tengono insieme i due filamenti, mentre un altro enzima si lega ai filamenti despiralizzati per impedire che si riassocino. Ora i due stampi sono disponibili per appaiarsi in modo complementare a nuove basi.

I piccoli cromosomi circolari dei batteri possiedono una sola origine della duplicazione. Intanto che il DNA attraversa il complesso di duplicazione, le forcelle si allargano in senso circolare formando due molecole di DNA intrecciate, che poi vengono separate da un apposito enzima.

Le DNA polimerasi lavorano molto rapidamente: nel batterio E. coli la duplicazione procede alla velocità di 1000 basi al secondo, cosicché i suoi 4,7 milioni di basi si duplicano in appena 20-40 minuti. Le polimerasi umane sono più lente (50 basi al secondo), inoltre i cromosomi sono molto più lunghi (circa 80 milioni di basi): per sbrigare il lavoro in meno di un’ora ci vogliono molte polimerasi e centinaia di complessi di duplicazione che lavorano in parallelo uno di fianco all’altro lungo il cromosoma.