Rigid Base Biasing in Molecular Dynamics enables enhanced sampling of DNA conformations
由于全原子模拟具有高的空间和时间分辨率，因此在研究核酸的构象和动力学性质方面越来越受欢迎。然而，这种高分辨率带来了沉重的计算成本，并且在模拟的时间尺度内，核酸围绕其理想结构微弱地波动，探索有限的构象集合。介绍了在核酸全原子模拟中能够控制刚性碱基参数的RBB-NA算法。利用合适的偏置电势，该算法可以“迫使”DNA或RNA分子呈现六个旋转参数（倾斜、滚动、扭曲、弯曲、螺旋桨、打开）和/或六个平移参数（移位、滑动、上升、剪切、拉伸、交错）的特定值。该算法能够使用先进的采样技术来探测局部强烈变形的核酸的结构和动力学。我们说明了它的性能显示一些例子，其中DNA是强烈扭曲，弯曲或局部屈曲。在这些例子中，RBB-NA很好地再现了无约束的模拟数据和DNA力学的其他已知特征，但它也允许人们探索在高变形状态下表征核酸力学的非谐行为。
2022-08-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Statistical models for nucleic acids
本文通过三维介观哈密顿模型和路径积分技术，研究ds-RNA与ds-DNA的结构差异，揭示了这些特征导致A型和B型螺旋产生相反扭曲-拉伸模式的根源。
2023-09-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Salt Contribution to the Flexibility of Single-stranded Nucleic Acid of Finite Length
核酸是带负电荷的大分子，其结构性质与溶液中的金属离子强烈耦合。本文采用粗粒度蒙特卡罗模拟方法系统地研究了盐离子对12 ~ 120个核苷酸的单链核酸链柔性的影响。计算结果表明，离子浓度的增加会引起ss链的结构坍塌，多价离子更容易引起这种坍塌，三价和二价离子都能诱导出比随机弛豫态更紧密的状态。我们发现，一价、二价和三价离子都能使ss链过充电，并且这种过充电的主要来源从离子排斥体积效应转变为离子库仑相关。此外，预测的ss核酸的Na、Mg依赖性持久长度lp与已有的实验数据一致，并通过系统的计算，得到了lp随Na、Mg和链长变化的经验公式。
2012-11-23 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Force-dependent elasticity of nucleic acids
双链核酸在细胞过程中的功能主要由其弹性反应介导。这些过程涉及与dsDNA或dsRNA相互作用并扭曲其结构的蛋白质。大多数理论框架没有适当考虑这些变形所产生的NA的弹性扰动。在这项工作中，我们介绍了一种新的方法来评估机械应力对双链DNA和双链RNA的弹性响应的影响，通过分析的双螺旋的波动。这种方法的原子模拟的应用揭示了定性的差异，在力的依赖性的机械性能的双链DNA相对于那些dsRNA，我们涉及到这些分子的结构特征，通过物理健全的简约模型。
2022-10-27 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
First-principles Study of Physisorption of Nucleic Acid Bases on Small-Diameter Carbon Nanotube
我们报告了我们基于密度泛函理论对核酸碱基分子腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）与单壁碳纳米管（CNT）相互作用的第一性原理研究结果。具体而言，重点是物理吸附的基础分子上的外壁（5，0）金属CNT拥有一个最小的直径可能。与大直径的碳纳米管相比，发现在高曲率的情况下，物理吸附能降低。基础分子表现出显着不同的相互作用强度，和计算的结合能遵循的层次G > A > T > C > U，这似乎是独立的管曲率。基础分子和CNT之间的相互作用中的稳定因素由分子极化率主导，该分子极化率允许在它们之间诱导弱吸引分散力。本研究提供了一个更好的理解脱氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）中的碱基序列对它们与不同直径的碳纳米管的相互作用的作用。
2007-09-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Slow nucleic acid unzipping kinetics from sequence-defined barriers
最近关于通过力解链RNA螺旋-环结构的实验表明，约40个碱基的分子可以在两个明确定义的“开放”和“闭合”状态之间经历动力学转变，时间尺度= 1秒[Liphardt等人，Science 297，733-737（2001）]。使用一个简单的动力学模型，我们表明，这些现象是由于跨越大的自由能障碍，分开的开放和封闭的构象的缓慢动力学。的依赖性的障碍序列沿螺旋，并对环的大小进行了分析。一些DNA和RNA序列，可以显示在不同的时间尺度上的动力学，或三个（或更多）状态解压缩，提出。
2002-07-25 cond-mat.soft q-bio
Base pair fluctuations in helical models for nucleic acids
本文提出了一种估算核酸三维介观模型中碱基对涨落最大振幅的统计方法。碱基对围绕螺旋直径的热振动被视为嵌入在稳定的螺旋结构中的颗粒的布朗运动。返回到初始位置的概率计算，作为时间的函数，通过整合的粒子路径一致的物理性质的模型潜力。首次通过概率的零时间条件定义了选择各种宏观螺旋构象的积分截止的约束，通过调整沿着分子堆叠的相邻碱基对之间的扭曲、弯曲和滑动运动来获得。应用该方法在室温下短的均匀链，我们得到有意义的估计，在扭曲构象的最大波动与$\sim 10.5$碱基对每螺旋转，典型的双链DNA螺旋。解开双螺旋，碱基对波动扩大和积分截止增长。发现在存在缩短螺旋轮廓长度的滑动运动的情况下，截止值也增加，这是dsRNA分子特有的情况。
2021-05-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Mechanistic Modeling of Lipid Nanoparticle Formation for the Delivery of Nucleic Acid Therapeutics
本文提出通过机理建模方法深入理解脂质纳米颗粒（LNP）形成过程，涵盖物性预测、多尺度建模及工艺控制优化，以促进核酸递送平台的发展。
2025-04-26 cond-mat.soft cs.CE physics.bio-ph
Multivalent ion-mediated nucleic acid helix-helix interactions: RNA versus DNA
离子介导的相互作用对核酸的结构和稳定性至关重要。最近的实验表明，多价离子诱导的双链RNA和DNA的聚集可能强烈依赖于螺旋的拓扑性质，而在原子水平上的离子介导的相关相互作用仍然缺乏理解。本文采用原子分子动力学模拟直接计算了六氨合钴离子（Co-Hex）溶液中双链RNA和双链DNA之间的平均力势（PMF）。计算结果表明，当[Co-Hex]较低时，B-DNA之间和A-RNA之间的PMF都是（强）排斥的，而当[Co-Hex]较高时，B-DNA之间的PMF是强吸引的，而A-RNA之间和A-DNA之间的PMF仍然是（弱）排斥的。微观分析表明，对于A型螺旋，Co-Hex将成为深大沟的内结合，从而不能在相邻螺旋之间形成明显的离子桥;而对于没有深大沟的B型螺旋，Co-Hex将表现出外结合，从而强有力地桥接相邻螺旋。此外，我们进一步的计算表明，A-RNA之间的PMF可能会变得很强的吸引力，无论是在很高的[Co-Hex]或当深大沟底部固定有一层水。
2015-07-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Coarse-Grained Nucleic Acid-Protein Model for Hybrid Nanotechnology
杂交DNA -蛋白质纳米技术的新兴领域带来了许多新材料的潜力，这些材料将DNA纳米技术的可寻址性与蛋白质相互作用的多功能性相结合。然而，这些混合结构的设计和计算研究是困难的，由于所涉及的系统尺寸。为了帮助设计和计算机分析过程中，我们在这里介绍了一个粗粒度的DNA/RNA-蛋白质模型，扩展了DNA/RNA的oxDNA/oxRNA模型与基于各向异性网络模型表示的粗粒度蛋白质模型。我们的模型完全配备了分析脚本和可视化，旨在促进最终实验实现的混合纳米材料设计，以及使生物复合物的研究成为可能。我们通过模拟DNA-蛋白质纳米笼、包裹在组蛋白周围的DNA和聚合酶中的新生RNA进一步证明了它的用途。
2020-09-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Urea destabilizes RNA by forming stacking interactions and multiple hydrogen bonds with nucleic acid bases
用尿素滴定RNA是研究RNA稳定力的有效方法。我们使用所有的原子分子动力学模拟使用两个尿素力场和两个RNA结构来阐明在原子细节的尿素水溶液中的折叠RNA的不稳定机制。尿素通过与RNA碱基形成多个氢键使RNA变性，并且对磷酸二酯骨架几乎没有影响。最重要的是，我们发现尿素参与了与碱基的堆积相互作用。我们还首次估计了RNA的m值，这是衡量尿素-RNA相互作用强度的指标。我们的工作提供了一个概念性的了解尿素提高RNA折叠速率的机制。
2009-12-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Pathways for virus assembly around nucleic acids
了解病毒衣壳蛋白围绕其基因组组装的途径可以确定作为潜在药物靶点的关键中间体。在这项工作中，我们使用计算机模拟来表征组装在广泛的衣壳蛋白质相互作用强度和溶液离子强度。我们发现，组装途径可以分为两类，其中中间体是主要有序或无序。我们的研究结果表明，估计蛋白质-蛋白质和蛋白质-基因组结合亲和力可能足以预测哪种途径发生。此外，计算出的相图表明，知识的主导组装途径及其与控制参数的关系，可以确定最佳的策略，以阻止或重定向组装，以阻止感染。最后，模拟轨迹的分析表明，这两类组装途径可以区分在单分子荧光相关光谱或批量时间分辨小角度X射线散射实验。
2014-05-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Electrostatic Binding and Hydrophobic Collapse of Peptide-Nucleic Acid Aggregates Quantified Using Force Spectroscopy
了解自聚集肽与核酸或其他聚阴离子之间的相互作用机制是理解多种人类疾病（例如阿尔茨海默病和帕金森病）的许多聚集过程的关键。由于疏水自聚集力和静电结合力之间的竞争，确定这种相互作用的亲和力和动力学步骤是具有挑战性的。Kahalalide F（KF）是一种抗癌疏水肽，其含有单个正电荷，赋予与聚阴离子的强聚集特性。这使得KF成为一个理想的模型，以阐明自聚集与结合到一个强电荷的生物体，如DNA竞争的机制。我们使用光镊施加机械力到单个DNA分子，并表明KF和DNA相互作用在两步动力学过程中促进的DNA的静电结合到聚集体表面，然后由复合物的稳定，由于疏水相互作用。从所测量的拉动曲线，我们确定的结合亲和力，动力学障碍和长度的DNA片段内的KF-DNA复合物隔离的光谱。我们发现有一个捕获的距离，超过这个距离，复杂的崩溃成紧凑的聚集体稳定的强疏水力，并讨论如何弯曲刚度的核酸影响这样的过程。我们推测，在体内环境中，KF的静电相互作用增强，由于其聚集可能介导的其他聚阴离子的结合。所提出的方法应该是有用的定量表征其他化合物或蛋白质中的聚集体的形成是相关的。
2014-08-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Asymmetric periodic boundary conditions for molecular dynamics and coarse-grained simulations of nucleic acids
本文提出沿核酸链方向与垂直溶剂化方向区别处理的非对称周期性边界条件（APBC），通过粗粒化蠕虫状链模型和全原子DNA模拟验证其可减小有限尺寸效应并揭示序列依赖性质。
2023-06-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Scanning probe microscopy of nucleic acids and thin organic films
我们开发了模型和算法来描述AFM的两个主要伪影：（i）加宽效应和（ii）吸附在硬基底上的单个物体的轮廓高度降低。它显示了如何测量一个单一的吸附微物体的弹性性能。从接触变形理论的观点出发，分析了原子力显微镜显示平面原子（分子）结构的机理。我们测试了在延伸状态下将游离单链RNA分子固定在基底上的技术。利用原子力显微镜，我们可视化的过程中释放的RNA从烟草花叶病毒颗粒的蛋白质外壳的阶段。这一过程的不对称性关于一个大分子的两端被证实。利用原子力显微镜实时跟踪DNA T4分子的压缩动力学。部分压实的大分子被清楚地解析。我们发现，部分压实的结构由不同的大分子链形成的环形部分组成。在系统的AFM测量的基础上重建了压实结构的真实几何形状。这使我们能够计算出每个凝聚的DNA粒子的分子量。我们证明了水平沉积方法形成LB膜的明显优势。利用原子力显微镜实现了对某些薄膜涂层的分子分辨，并对晶格参数进行了测量，测量的误差在百分之几以内。我们表明，膜的结构是由几个因素的并发性决定的：由最紧密堆积原则的烃类尾部，由值的极性头在水亚相的表面积，以及由基板的影响。
2011-04-24 cond-mat.soft
Theoretical models for single-molecule DNA and RNA experiments: from elasticity to unzipping
本文综述了核酸单分子微操作实验的物理力学理论。首先，介绍了用于描述聚合物弹性的模型。然后，我们回顾这些模型是如何用来解释单链和双链DNA的单分子力延伸实验。根据所使用的力和分子，观察到平滑的弹性行为和突然的结构转变。第三，我们将展示如何结合两个单一的核酸链的弹性与它们之间的碱基配对的相互作用的描述解释了很多的现象和动力学的RNA和DNA“解压缩”实验。
2002-06-13 cond-mat.soft q-bio
Mechanisms of virus assembly
病毒是纳米级的实体，含有包裹在称为衣壳的蛋白质外壳中的核酸基因组，并且在某些情况下被脂质双层膜包围。本文综述了衣壳在宿主细胞内和体外组装的物理过程。我们描述的热力学和动力学组装成二十面体衣壳壳的蛋白质亚基，以及这些是如何修改的情况下，衣壳组装周围的核酸或脂质双层。我们目前的实验和理论技术，已被用来表征衣壳组装，我们强调病毒组装的方面可能会在不久的将来得到显着的关注。
2014-07-15 cond-mat.soft q-bio.BM
Calculating potential of mean force between like-charged nanoparticles: a comprehensive study on salt effects
离子对聚电解质如核酸的结构和稳定性至关重要。本文利用蒙特卡罗模拟系统地计算了盐溶液中两个带相同电荷的纳米粒子之间的平均力势。采用伪弹簧方法计算了平均力势，并与逆玻尔兹曼方法进行了系统的比较。预测了二价/三价盐溶液中两个带相同电荷的纳米颗粒之间的有效吸引力，并且这种吸引力在非常高的盐浓度下变得减弱。我们的分析表明，对于该系统，离子桥纳米粒子的配置是负责的吸引力，和阴离子的入侵到纳米粒子之间的区域在高盐浓度将导致吸引力减弱，而不是电荷反转效应。本方法将用于计算核酸折叠过程中的有效相互作用。
2013-05-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Computational biology approach to uncover hepatitis C virus helicase operation
丙型肝炎病毒解旋酶是一种在病毒复制过程中分裂核酸双链体结构的分子马达，因此代表了抗病毒治疗的有希望的靶标。因此，详细了解其运作机制将有助于开发旨在抑制解旋酶活性的有效药物辅助疗法。尽管在过去进行了广泛的调查，一个彻底的了解，这一重要的蛋白质的活动是缺乏的，因为潜在的内部构象运动无法解决。在这里，我们回顾了我们以前对HCV解旋酶进行的调查。使用基于结构的计算建模方法，可以在结构解析的模拟中跟踪这种马达蛋白的整个操作周期，并揭示它沿着核酸移动并完成链分离的机制。我们还讨论了从该研究中观察到的结果，根据最近的实验研究证实了我们的发现。
2013-11-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Preferential affinity of calcium ions to charged phosphatidic-acid surface from a mixed calcium/barium solution: X-ray reflectivity and fluorescence studies
通过X射线反射率和近全反射荧光实验，研究了二价离子（$\mathrm{Ca^{2+}}$和$\mathrm{Ba^{2+}}$）从水溶液到带电磷脂酸（PA）表面的亲和力。磷脂（1，2-二肉豆蔻酰-sn-甘油-3-磷酸，DMPA），在空气/水界面处作为单层铺展，用于形成和控制界面处的电荷密度。我们发现，对于纯盐的溶液（即，$\mathrm{CaCl_{2}}$和$\mathrm{BaCl_{2}}$），界面处每个DMPA的结合离子数在超过$\mathrm{10^{-3}M}$的浓度下饱和。对于1：1的$\mathrm{Ca^{2+}/Ba^{2+}}$混合溶液，我们发现界面处的结合$\mathrm{Ca^{2+}/Ba^{2+}}$比为4：1。如果决定PA附近电荷积累的唯一性质是离子电荷，则界面处混合$\mathrm{Ca^{2+}/Ba^{2+}}$的浓度将等于本体的浓度。我们的研究结果表明，PA对Ca的特异性亲和力明显高于Ba。我们提供了一些关于这个问题的讨论，以及对生物系统的一些影响。虽然我们的结果表明相对于表面电荷，即，电荷反转，过量的抗衡电荷，反射率和荧光的分析没有揭示过量的共离子（即，$\mathrm{Cl^{-}}$或$\mathrm{I}^{-}$）。
2009-01-16 cond-mat.soft
Free energy of cylindrical polyions: analytical results
在Poisson-Boltzmann（PB）框架下，计算了任意价态和低盐浓度的二元电解质溶液中长圆柱形带电聚离子的库仑巨势.我们得到了精确的解析低盐渐近表达式的巨势，来自已知的圆柱PB方程的精确解的性质。这些结果对于理解核酸过程是相关的。在实践中，我们的表达式是准确的任意聚离子电荷，提供他们的半径小于德拜长度定义的电解质。
2019-09-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Hydrophobicity and Unique Folding of Selected Polymers
在合适的环境中，蛋白质、核酸和某些合成聚合物折叠成独特的构象。这项工作表明，它是可能的，以构建晶格模型的可折叠的杂聚物表示的能量仅在单体的个别属性，如暴露于溶剂和空间因子。
1998-01-05 cond-mat.soft q-bio
Force Dependent Hopping Rates of RNA Hairpins can be Estimated from Accurate Measurement of the Folding Landscapes
核酸发夹的序列依赖性折叠景观反映了生物分子折叠的复杂性。折叠轨迹，使用单分子力钳实验所产生的附加半柔性聚合物的发夹的末端已被用来推断其折叠景观。使用模拟和理论，我们研究的效果的动态连接的处理上的发夹-免费的RNA自由能曲线$F^o_{eq}(z_m)$，其中$z_m$是发夹的分子延伸。精确测量$F^o_{eq}(z_m)$需要具有小$L/l_p$的刚性聚合物，其中$L$是手柄的轮廓长度，$l_p$是持久长度。奇怪的是，跳频速率的可靠估计只能使用灵活的手柄。尽管如此，我们表明，平衡自由能分布$F^o_{eq}(z_m)$在外部张力$f_m$，力（$f$），在折叠和未折叠的状态是同样填充，结合Kramers的理论，可以提供准确的估计力依赖的跳跃率在没有处理在任意值的$f$。我们的理论框架表明，$z_m$是一个很好的反应坐标核酸发夹在张力下。
2008-08-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Ion-Modulated Polyelectrolyte Complexation of DNA and Polyacrylic Acid from Molecular Dynamics Simulations
The Cyprus Institute（塞浦路斯研究所）；University of Crete（克里特大学）；Foundation for Research and Technology Hellas（希腊研究与技术基金会）；University of Vienna（维也纳大学）
研究通过分子动力学模拟揭示了不同离子对DNA与PAA复合物稳定性及结构的影响，发现Ca2+促进持久结合，Mg2+介导较弱的瞬时相互作用，Na+则仅起静电屏蔽作用。
2026-01-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
Cooperation and competition of basepairing and electrostatic interactions in mixtures of DNA nanostars and polylysine
University of Southern California（南加州大学）；University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；New York University（纽约大学）；Princeton University（普林斯顿大学）
研究通过实验与理论结合，探讨了DNA纳米星与聚赖氨酸在不同温度、盐浓度和组成下的相行为，发现静电和碱基配对相互作用在高盐浓度和温度下协同稳定共凝聚，形成多相共存。
2026-05-12 cond-mat.soft q-bio.BM
Overcharging of zinc ion in the structure of zinc finger protein is needed for DNA binding stability
锌指结构是核酸结合蛋白的非常常见的基序，其中Zn 2+离子与四面体结构中的4个半胱氨酸或组氨酸氨基酸结合。人类基因组中约有3%的基因存在相应的相互作用模式。因此，锌指已被证明在各种治疗和研究能力以及生物技术中非常有用。在稳定构型中，半胱氨酸氨基酸被去质子化并带负电荷。这意味着Zn 2+离子被4个半胱氨酸电荷过度屏蔽（过度充电）。当这种带负电荷的锌指与带负电荷的DNA分子结合时，这种过电荷的构型是否也是稳定的，这是一个问题。利用全原子分子动力学模拟的雄激素受体蛋白二聚体的微秒范围内，我们研究了半胱氨酸的去质子化状态如何影响其结构，动力学和功能的结合o DNA分子。我们的研究结果表明，半胱氨酸残基的去质子化状态是必不可少的机械稳定的功能，折叠构象。这种状态不仅稳定了蛋白质结构，还稳定了蛋白质-DNA结合复合物。两个（序列相同）单体的结构和能量特性的差异也进行了研究，显示出DNA对锌指结构的强烈影响。我们的研究结果对更好地理解最常见的一类锌指分子具有潜在的影响
2020-02-22 cond-mat.soft q-bio.BM
