Modeling Bacterial DNA: Simulation of Self-avoiding Supercoiled Worm-Like Chains Including Structural Transitions of the Helix
在超螺旋约束下，裸露的DNA，如大部分细菌DNA，折叠成称为plectonemes的编织结构。双螺旋也可以经历局部结构转变，导致变性气泡和其他替代结构的形成。已经开发了各种聚合物模型来捕获这些特性，其中Monte-Carlo（MC）方法专用于推断热力学特性。在本章中，我们将解释如何执行这样的蒙特卡罗模拟，以下两个目标。一方面，我们提出了自回避超螺旋蠕虫样链（ssWLC）模型，这是已知的捕捉超螺旋DNA的折叠特性，并提供了一个标准的MC模拟方法的详细解释。另一方面，我们解释了如何扩展这个ssWLC模型，包括螺旋结构的转变。
2017-08-07 physics.bio-ph q-bio.BM
Nonlinear Mechanical Response of DNA due to Anisotropic Bending Elasticity
考虑到由双螺旋结构引起的弯曲刚度的各向异性，研究了短DNA片段对弯曲的响应。它示出的各向异性引入一个有效的非线性扭曲弯曲耦合，可以导致形成扭结和调制的曲率和/或扭曲，这取决于弹性常数和所施加的偏转角的值。调制的典型波长，或相邻扭结之间的距离被发现是由DNA间距的一半。
2002-07-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft q-bio.BM
Simulated and Experimental Bending Dynamics in DNA with and without A-Tracts
由规则重复的腺嘌呤束引起的双螺旋DNA的宏观弯曲是众所周知的，但仍然令人困惑。它的物理起源仍然存在争议，即使它可能是DNA结构的最佳记录序列调制。我们在这里报告的结果比较理论和实验研究的弯曲动力学在35聚体DNA片段。这个长度看起来足够大，可以通过凝胶电泳区分曲率。两个DNA片段，具有相同的碱基对组成，但不同的序列进行比较。在第一个中，一个单一的A-道基序是四次重复的相位与螺旋螺丝，而第二个序列是“随机”。计算和实验都表明，A束DNA具有较大的静态曲率和弯曲动力学特性，表明计算结果与实验现象相一致。结果不太同意与早期的观点，归因于一个决定性的作用，在DNA弯曲的序列特异性碱基对堆叠或结合的溶剂抗衡离子，但提供额外的支持的假设的压缩沮丧状态的骨干作为静态曲率的主要物理原因。我们讨论了实验验证这一假设的可能途径。
2001-09-20 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Molecular Dynamics Studies of Sequence-directed Curvature in Bending Locus of Trypanosome Kinetoplast DNA
由规则重复的腺嘌呤束（A-tracts）在双螺旋B-DNA中诱导的宏观曲率在DNA的结构研究中起着特殊的作用，因为这种效应提供了序列特异性构象调制的最有据可查的例子。最近，一个新的假说，其物理起源已被提出，基于分子动力学模拟的结果，一个25-mer的片段与三个A-束相的螺旋螺杆。然而，它的序列在实验研究中从未遇到过，而是根据经验构建的，以便在特定的计算条件下最大限度地提高弯曲的幅度。在这里，我们报告了另一个25聚体B-DNA片段的类似调查的结果，现在有一个天然的碱基对序列中发现的一个微环DNA的弯曲位点。结果表明，静态曲率的一个相当大的幅度和稳定的方向走向小沟的A-道自发出现的条件下，不包括任何初始偏见，除了碱基对序列。这两个DNA片段的弯曲动力学的比较揭示了定性的相似性和有趣的差异。结果表明，在模拟中获得的A道诱导弯曲再现的自然现象，并验证了早期的结论，其可能的机制。
2000-04-20 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
A-Tract Induced DNA Bending is A Local Non-Electrostatic Effect
由规则重复的腺嘌呤束（A束）在双螺旋B-DNA中诱导的宏观弯曲是一个长期已知的，但仍然无法解释的现象。这种效应在DNA研究中起着关键作用，因为它在可用实验信息的数量和种类上是独一无二的，因此，很可能成为通往基因组序列识别和调控的未知一般机制的大门。近年来的主流观点是，一般来说，DNA中的宏观弯曲是由磷酸基团之间的长程静电排斥引起的，当其中一些磷酸基团被邻近的外部电荷中和时。在A束的情况下，这可能是特异性结合的溶剂抗衡离子。在这里，我们报告有关分子动力学模拟，其中正确的静态曲率在DNA片段与相腺嘌呤束自发出现的条件下，任何作用的抗衡离子或远程静电效应可以被排除。
2000-02-04 physics.bio-ph q-bio.BM
Coarse-grained modelling of strong DNA bending I: Thermodynamics and comparison to an experimental "molecular vice"
DNA弯曲在生物学上对基因组调控非常重要，并且与一系列纳米技术系统相关。最近的研究结果表明，急剧弯曲比广泛使用的蠕虫状链模型所暗示的要容易得多;然而，许多这些研究仍然存在争议。我们使用一个粗粒度的模型，以前适合DNA的基本热力学和力学性质，探索强烈弯曲的系统。我们发现，作为端到端的距离是足够短的双链体减少经历一个过渡到一个状态，其中弯曲应变是本地化在一个灵活的扭结，涉及中断的碱基配对和堆叠。这种扭结状态，这是没有很好地描述的蠕虫状链模型，使双链体更容易急剧弯曲。然而，由于两个DNA主链的连接性所产生的限制，它并不完全灵活。我们还进行了详细的比较，最近的实验上的“分子副”，探针高度弯曲的DNA。模拟和实验之间的密切一致性加强了这样的假设，即局部弯曲通过扭结发生在分子副，并导致双链体DNA的灵活性增强。因此，我们的计算表明，这个实验所暗示的扭结成本与DNA的已知热力学和机械性质是一致的。
2015-06-30 q-bio.BM
Stepwise bending of DNA by a single TATA-box Binding Protein
TATA盒结合蛋白（TBP）是所有三种真核RNA聚合酶所必需的，用于启动大多数启动子的转录。TBP识别、结合并弯曲DNA中称为"TATA盒“的启动子序列。我们目前的研究结果，个别酿酒酵母TBPs与含有TATA盒的单个DNA分子相互作用。使用视频显微镜，我们观察到的布朗运动的珠子栓由短的表面结合的DNA。当TBP结合并弯曲DNA时，DNA的构象发生变化，与未弯曲的DNA相比，拴系珠的布朗运动的幅度降低。我们检测到个人的结合和解离事件，并推导出动力学参数的过程。通过增加盐浓度或通过使用光镊直接拉动拴系的珠来诱导解离。除了明确定义的自由和束缚类的布朗运动，我们观察到另外两类运动。这些额外的类被确定为具有三步线性结合途径上的中间状态。讨论了中间态的生物学意义。
2006-03-07 physics.bio-ph q-bio.BM
Organized condensation of worm-like chains
我们目前的结果相关的平衡组织的任意长度的DNA链相互作用的球形组织中心，提示DNA-组蛋白复合在核小体。我们得到一个丰富的相图，其中的包裹状态被转化为一个复杂的多叶，玫瑰花结结构的粘附能减少。玫瑰花团“融化”的统计力学可以映射成一个精确可解的一维多体问题。
1999-05-19 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.bio-ph
Twist dominates bending in the liquid crystal organization of bacteriophage DNA
本研究结合冷冻电镜、液晶建模与纽结理论，发现噬菌体P4中DNA液晶相的扭转弹性远强于弯曲弹性，且该结论经Langevin动力学模拟的纽结分布实验验证，揭示了弹性、拓扑与基因组组织的一致性。
2025-10-06 cond-mat.soft q-bio.BM
Stretching An Anisotropic DNA
我们提出了一个微扰理论，以找到一个各向异性的DNA的外部张力的响应。结果表明，各向异性有一个非零，但很小的贡献力的延伸曲线的DNA。因此，各向异性DNA的行为类似于各向同性DNA，其有效弯曲常数等于其软弯曲常数和硬弯曲常数的调和平均。
2008-02-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
DNA-Protein Binding Rates: Bending Fluctuation and Hydrodynamic Coupling Effects
我们研究扩散粒子和半柔性聚合物上的靶位点之间的扩散限制反应，这是决定DNA-蛋白质结合和细胞骨架丝聚合动力学的关键因素。我们的理论集中在两个竞争的影响：聚合物的形状波动，这加快协会，和扩散颗粒和链之间的流体动力学耦合，这减慢协会。聚合物弯曲波动使用平均场动力学理论，而聚合物和颗粒之间的流体动力学耦合是通过一个简单的启发式近似。这两个我们验证通过比较与布朗动力学模拟。这两种效应都没有得到充分考虑之前在生物物理方面，我们表明，他们是必要的，以形成准确的估计反应过程。缔合速率取决于聚合物的刚度和颗粒尺寸，表现出最大的中间持久长度和最小的中间颗粒半径。在与DNA-蛋白质结合相关的参数范围内，与简单质心运动的Smoluchowski结果相比，速率增加高达100%。理论所作的定量预测可以通过实验来检验。
2010-11-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Mechanical conversion of low-affinity Integration Host Factor binding sites into high-affinity sites
尽管DNA在体内经常被弯曲，但DNA弯曲力如何调节DNA-蛋白质结合亲和力尚不清楚。在这里，我们报告了一系列的DNA弯曲力如何调节整合宿主因子（IHF）蛋白与各种DNA的结合。使用溶液荧光法和电泳迁移率变动分析法，我们测量了IHF对具有不同弯曲力和序列突变的DNA的亲和力。通过改变环形基底中双链DNA的分数或通过改变环的整体大小来调节弯曲力（1）。DNA构建体包含一对福斯特共振能量转移染料，用作亲和力测定的探针，并读出由光学力传感器测量的弯曲力（2）。小的弯曲力显著增加了结合亲和力;这种效应在超过~3 pN时饱和。令人惊讶的是，当仅弱结合IHF的DNA序列通过环化机械弯曲时，它们比线性“高亲和力”结合序列更紧密地结合IHF。这些发现表明，小的弯曲力可以极大地增强偏离蛋白质的共有结合序列的位点处的结合。由于细胞DNA易发生机械变形和缩合，因此使用短线性DNA在体外测定的结构蛋白的亲和力可能不能反映体内亲和力。
2009-04-13 q-bio.BM
Characterizing the bending and flexibility induced by bulges in DNA duplexes
DNA纳米技术的进步刺激了对可用于控制DNA纳米结构性质的简单基序的搜索。一个这样的基序，其已被广泛用于结构，如多面体笼，二维阵列，和带，是一个凸起的双链体，这是两个螺旋段连接在一个凸起环。我们使用一个粗粒度的DNA模型来描述这种凸出的双链体。我们发现，这种基序可以采用属于两个主要类别的结构：一个是在系统中心的螺旋堆叠被保留，几何形状大致是直的，凸起在双链体的一侧，另一个是在中心的堆叠被打破，从而允许这个连接作为铰链，增加灵活性。小环有利于保持双链体中心堆叠的状态，环碱基翻转或并入双链体。具有较长环的双链体显示出更多的倾向于在凸起处解堆叠并采用开放结构。然而，当单链DNA的刚性很大并且环能抵抗压缩时，对于中间长度的环，解堆积的概率最高。这种基本结构基序的性质与某些纳米级物体的结构行为明显相关，其中与较大凸起相关的增强的柔性已用于调整自组装产物以及所得纳米结构的详细几何形状。
2014-12-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Twisting and Bending Stress in DNA Minicircles
的弯曲的分子轴和出现在环状DNA分子中的中断之间的相互作用，与$\sim 100$碱基对，解决。研究了三种不同半径的AT和GC对含量几乎相等的微环。的DNA序列建模介观哈密顿描述的基本相互作用的螺旋在碱基对的水平，并纳入扭曲和弯曲的自由度。受阻解旋和气泡形成模式一致计算的路径积分方法，总结了大量的分子配置兼容的模型潜力。的路径合奏确定，作为温度的函数，通过最小化系统的自由能。由于分子骨架的弯曲，沿着螺旋出现波动开口以释放应力。与实验结果一致，碱基对断裂的概率较大，在最小的微环的\textit{66-bps}，其弯曲角为$\sim 6^{o} $。对于这种微环，螺旋重复在$τ=\,315K$处显示出阶梯状增加，从而获得相当大的解扭。该方法可以推广到确定开放端线性序列的气泡概率分布。
2014-03-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
DNA flexibility on short length scales probed by atomic force microscopy
最近有报道称，DNA在短长度尺度上具有异常高的弯曲柔性。我们使用原子力显微镜（AFM）的解决方案，以获得直接估计的DNA弯曲统计尺度下降到一个螺旋圈。DNA的行为似乎是高斯链，并且在超过3个螺旋圈（10.5纳米）的长度尺度上可以用蠕虫状链模型很好地描述。低于这个阈值，AFM数据表现出越来越多的噪音，因为实验的限制。这种噪声可能会隐藏高斯行为的小偏差，但它们几乎不可能是显著的。
2014-01-21 cond-mat.soft q-bio.BM
Phase diagram of the ground states of DNA condensates
研究了具有广义局部弹性弯曲势的半柔性聚合物模型在不良溶剂中DNA基态的相图，该模型的非线性参数为$x$，有效的自吸引力促进压实. $x=1$对应于蠕虫状链模型。令人惊讶的是，相图以及基态之间的过渡线被发现是$x$的函数。该模型提供了一个简单的解释先前的实验和计算研究的结果，并作出预测的具体几何形状的基态。结果强调的影响，在宏观可观察尺度的微观弯曲能量的形式。
2015-12-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Coarse-grained modelling of strong DNA bending II: Cyclization
DNA环化是深入了解DNA弯曲本质的一种强大技术。蠕虫状链模型提供了一个很好的描述小到中度的弯曲波动，但强烈弯曲较短的分子的一些实验表明，增强的灵活性超过预期的蠕虫状链。在这里，我们使用一个粗粒度的DNA模型来研究小于210个碱基对的分子的DNA环化的热力学。随着分子变短，我们发现我们计算的平衡j因子与Shimada和Yamakawa的蠕虫状链预测之间的偏差越来越大。这些偏差是由于尖锐扭结造成的，首先是在刻痕处，随后才是在双链体中。在最短的长度，大量的磨损两端的双重域是主要的方法放松。我们还估计动态J-因子在最近的FRET实验中测量。我们发现，动态J-因子是系统大于其平衡对应，与偏差较大的较短的分子，因为不是所有的应力存在于完全环化状态是存在于过渡态。这些观察结果对于解释最近的实验很重要，因为只有双链体体内的扭结才真正表明非蠕虫状链行为。
2015-06-30 q-bio.BM
Flexibility of short DNA helices under mechanical stretching
本文用哈密顿模型研究了DNA短片段的柔性，该模型在碱基对水平上考虑了链间和链内力。通过计算分子轴上相邻碱基对之间的平均弯曲角，得到了一组均匀螺旋对外力的弹性响应。系综平均进行了超过室温平衡分布的碱基对分离和弯曲波动。的端到端的距离和持久性长度的分析表明，即使是短序列小于$100$碱基对保持一个显着的bendability归因于热波动的影响和扭结与大的弯曲角度。离散模型和蠕虫状链模型的结果之间的差异进行检查，指出后者的不足之处短长度尺度。
2016-06-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Mesoscopic models for DNA stretching under force: new results and comparison to experiments
B-DNA拉伸的单分子实验已经揭示了当增加外力时，一个或两个结构转变。它们的特征是DNA轮廓长度突然增加，弯曲刚度下降。有人提出，在60- 80 pN的力下，第一个转变是从B到S-DNA的转变，被视为拉伸的双链DNA，而在更强的力下，第二个转变是链剥离，导致单链DNA（ssDNA），类似于热变性。但由于实验条件，这两个转变可以重叠，例如对于poly（dA-dT）。本文采用耦合离散蠕虫链-伊辛模型，导出了解析公式.我们的模型考虑了弯曲刚度，链的离散性，线性和非线性（ssDNA）键拉伸。在力为零的极限下，该模型简化为我们已经建立的用于研究DNA热解链的耦合模型，与以前的变性曲线拟合参数值建立了联系。我们发现：（i）使用分析公式在纳牛顿范围内拟合ssDNA，仅具有三个自由参数，轮廓长度、弯曲模量和单体尺寸;（ii）仅通过选择0.2nm的单体尺寸，几乎比ssDNA核碱基长度小4倍，才可能在该力范围上令人惊讶地良好拟合;（iii）介观模型不能将B拟合到ssDNA（iv）在强作用力近似下，导出了适合于长DNA的B到S跃迁的解析公式，该公式与精确的转移矩阵计算结果非常吻合;（v）这个公式非常适合poly（dG-dC）和$λ$ -DNA力-延伸曲线，参数值一致;（vi）出现了一个连贯的图像，其中S到ssDNA的转换对碱基对序列比B到S的转换敏感得多。
2012-07-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Twist-bend coupling and the statistical mechanics of the twistable worm-like chain model of DNA: perturbation theory and beyond
最简单的DNA力学模型将双螺旋描述为具有扭曲和弯曲弹性的连续杆。最近的工作已经讨论了一个很少研究的耦合$G$之间的扭曲和弯曲，已知的DNA双螺旋的凹槽不对称性引起的相关性。在这里，$G$的统计力学的长DNA分子受到施加的力和扭矩的影响进行了研究。本文提出了一种小扭弯耦合有效扭转刚度$C_\text{eff}$的摄动计算方法。我们发现，“裸”$G$是“屏蔽”的热波动，在这个意义上说，低力，长分子的有效自由能是一个模型与$G=0$，但与长波长的弯曲和扭曲的刚性，移位由$G$依赖量。使用自由波动的DNA的扭转和弯曲刚度的结果，我们展示了我们的微扰结果可以扩展到一个非微扰制度。这些结果与Monte Carlo“triad”和分子动力学“oxDNA”模型的数值计算非常吻合，其特征在于不同程度的粗粒化，验证微扰和非微扰分析。虽然我们的理论是在一般良好的定量协议与实验，预测的扭转刚度系统偏离实验数据，这表明有尚未表征的方面的DNA扭曲-拉伸力学有关的低力，长分子的机械响应，这是不被广泛使用的粗粒度模型捕获。
2019-04-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
DNA entropic elasticity for short molecules attached to beads
在单分子实验中，力被施加到DNA或RNA分子上，使得核酸性质和核酸-酶相互作用的重要发现成为可能。这些实验依赖于聚合物力延伸行为的模型来校准实验;通常实验使用蠕虫状链（WLC）理论用于双链DNA和RNA。这一理论与长分子的实验结果吻合得很好。最近的单分子实验使用较短的分子，其轮廓长度在1-10个持久长度的范围内。迄今为止，大多数WLC理论计算都假设分子长度为无限长，并且与较短链的实验不一致。当使用较短分子时变得重要的关键物理效应包括（i）约束分子末端处允许的波动的边界条件和（ii）聚合物所连接的珠的旋转波动，其改变分子的表观延伸。我们描述了有限蠕虫状链（FWLC）理论，它考虑到这些影响。我们表明FWLC预测偏离经典的WLC解决方案的分子轮廓长度的几倍的持久性长度。因此，FWLC将允许更准确的实验校准相对较短的分子，促进未来的发现在单分子力显微镜。
2006-01-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Twist-stretch profiles of DNA chains
螺旋分子在机械载荷的作用下改变其扭曲数。我们研究了一组由介观哈密顿量模拟的短DNA分子的扭曲-拉伸关系。有限温度路径积分技术被应用于产生一个大的合奏的可能的配置的碱基对的序列。该模型还考虑了沿分子堆叠的相邻碱基对之间的弯曲和扭曲波动。模拟了广泛的扭曲构象，我们计算的螺旋结构参数平均超过合奏的碱基对配置。对于任何施加的力，该方法选择使分子的自由能最小化的平均扭转角。据发现，链通常过扭曲下施加拉伸和过扭曲是物理上相关的平均螺旋直径的收缩，即阻尼的碱基对波动。相反，假设弯曲波动的最大幅度可能会随着外部载荷而减小，则DNA分子首先在弱作用力下过度扭曲，然后在特征力值以上解扭曲。我们的研究结果进行了讨论，虽然为千碱基长的分子的实验信息。
2017-09-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Multi-plectoneme phase of double-stranded DNA under torsion
我们利用蠕虫链模型研究了DNA在张力和扭矩作用下的超螺旋。该模型再现了广泛的力，盐浓度和轮廓长度的实验数据。我们发现一个平面的一阶相变结束在一个模糊的线的临界点，多plectoneme阶段，其特征在于由快速扭转介导的扩散plectoneme和扭矩上升后，plectoneme形成与连接数增加。这一新相的发现同时解决了现有模型与实验之间的差异。
2013-07-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Structure and mechanical characterization of DNA i-motif nanowires by molecular dynamics simulation
利用分子动力学计算机模拟方法研究了DNA i基序纳米线的结构和力学性质。我们建立了长达230纳米的纳米线，基于重复的TC 5序列从晶体学数据，完全放松和平衡在水中。不寻常的堆叠的C*C+堆叠结构，形成由四个ssDNA链排列在一个插入的四聚体，在这里完全静态和动态的特点。通过应用拉伸，压缩和弯曲变形与转向分子动力学和伞形采样方法，我们提取的表观杨氏模量和弯曲模量的纳米线，以及估计的拉伸强度和持久长度。根据我们的研究结果，i基序纳米线与结构蛋白质有相似之处，就其拉伸刚度而言，但就其弯曲刚度而言，更接近核酸和柔性蛋白质。此外，由于其非常薄的截面，表观拉伸韧性接近金属。除了其尚未澄清的生物学意义，i-motif纳米线可能有资格作为有趣的候选人的纳米技术模板，由于这种出色的机械性能。
2013-07-01 physics.bio-ph q-bio.BM
Dynamical model for the full stretching curve of DNA
我们提出了一个唯象动力学模型，能够描述DNA长度随外力变化曲线的拉伸特性。至于链，该模型是基于离散蠕虫链模型与弹性修改，适当地描述了在低和中等力的伸长功能。的动力学是在一个双阱势与线性项，其中，在高的力，占窄过渡存在于DNA伸长（过度拉伸）。模拟结果与实验结果吻合较好。
2012-09-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Consequences of local inter-strand dehybridization for large-amplitude bending fluctuations of double-stranded DNA
蠕虫状链（WLC）模型的DNA弯曲准确地再现单分子力延伸的长链（酶）的配置文件。然而，这些大尺度上的弯曲统计数据并没有建立1-10 bp尺度上独特的弹性微观模型，而这在生物学背景下特别令人感兴趣。在这里，我们研究了一类允许碱基配对中断的微观模型（即，"熔化“或”扭结“，一般称为”激发“），从而增强局部柔性。我们首先分析了蠕虫链中空间自由度的积分对激发自由能的影响。基于这种分析，我们提出了一个配方，这些模型，确保与完善的热力学熔化长链的一致性。使用一种新的方法来计算环化统计的短链从增强采样蒙特卡罗模拟，我们计算J-因子的可熔蠕虫状链（MWLC）在很宽的链长范围内，包括非常短的分子（30 bp），尚未被实验探索。对于超过约120 bp的链，包括迄今为止在实验室中研究的大多数分子，我们发现，熔融激发环化动力学的影响不大。强烈的签名融化，这可能是解决在典型的实验散射，出现只有较短的链。
2011-10-31 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Twist-bend coupling, twist waves and the shape of DNA loops
通过结合分析和数值计算，我们调查的最小能量形状的短DNA环约$100$碱基对（bp）。我们发现，在这些循环中的多余的扭曲密度振荡作为一个响应施加的弯曲应力，最近发现在DNA微环和核小体DNA中观察到的。这些扭曲振荡，这里称为扭曲波，是由于扭曲和弯曲变形之间的耦合，这又源于DNA大沟和小沟之间的不对称性。我们引入了一个简单的分析变分形状，再现确切的循环能量的第四个有效数字，是非常好的协议与粗粒度模拟得到的形状。最后，我们分析了室温下的回路动力学，并表明扭转波对热波动是鲁棒的。他们执行正常的扩散运动，其起源进行了简要讨论。
2019-08-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
DNA bending and "structural" waters in major and minor grooves of A-tracts. Monte Carlo computer simulations
为了阐明结构水在稳定弯曲DNA中可能的作用，用Monte Carlo模拟研究了含AT的十聚体（A5 T5）2和A10：T10的各种构象。双链体被限制为在两个温度下再现A束的NMR质子间距离：5 ℃和35 ℃。水壳结构的分析揭示了一方面槽宽与另一方面水合模式的类型及其概率之间的强相关性。根据小沟的宽度，在该沟中观察到以下模式：链间“水合脊柱”，或链间两水桥，或链内糖基“水弦”的双带。水化壳在大沟中的规则性比在小沟中的规则性差，这与晶体学数据相一致。如在先前的研究中，发现具有窄小沟和宽大沟（B '-样DNA）的A束构象具有能量有利的水合作用，已知其与DNA弯曲和曲率相关。此外，我们的计算表明，这种DNA构象的优势是加上腺嘌呤N7水合在大沟中的增加。由于大沟打开更宽，其水化壳通过与属于两个相邻腺嘌呤的三个亲水中心（两个N7原子和一个氨基质子H（N6））键合的能量有利的“三叉水”来富集。基于这些结果，我们认为，在大沟中形成的新的水合模式的因素之一，负责稳定的B '样构象的A-束在低温下在脱水剂的情况下，反过来导致强的固有曲率的DNA含有交替的A-束和“混合”GC丰富的序列。
2012-02-13 q-bio.BM q-bio.GN
Probing a label-free local bend in DNA by single-molecule Tethered Particle Motion
能够表征DNA局部弯曲对于彻底理解许多生物过程是必不可少的，因为它们涉及双螺旋轴的局部弯曲，无论是序列固有的还是由蛋白质结合引起的。开发一种不干扰DNA本身或DNA-蛋白质复合物构象的DNA弯曲角测量方法是一项具有挑战性的任务。在这里，我们提出了一个联合的理论实验高吞吐量的方法来严格测量这种弯曲角度，使用系留粒子运动（TPM）技术。通过仔细建模的TPM几何形状，我们提出了一个简单的公式的基础上扭结蠕虫状链模型提取的弯曲角度从TPM测量。使用由575个碱基对DNA与1至7个6A-束的同相组装体制成的构建体，我们发现序列CA 6CGG诱导19 [4] °的弯曲角。我们的方法是成功地比较理论上更复杂或实验侵入性的，如环化，NMR，FRET或AFM。我们进一步将我们的程序应用于文献中的TPM测量，并证明蛋白质诱导的弯曲角度，如整合宿主因子（IHF）也可以可靠地评估。
2015-04-29 cond-mat.soft q-bio.BM
Helical Disruptions in Small Loops of DNA
用路径积分方法研究了DNA微环的稳定性。互补链上碱基对之间的氢键可以被热波动破坏，并且沿着双螺旋的临时波动开口对于生物功能如遗传信息的转录和复制是必不可少的。阻碍解旋和气泡形成模式计算在圆形序列与可变半径，以分析分子大小和螺旋破裂的外观之间的相互作用。后者存在于具有$< 100$碱基对的微环中，并作为一种策略出现，以软化由于螺旋的弯曲和扭转而产生的应力。
2015-03-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Anisotropic Elastic Model for Short DNA Loops
利用能量最小化方法，在忽略熵效应的情况下，研究了弯曲各向异性对平面DNA环的影响。我们发现，各向异性的结果在多边形形状的循环和各向异性的增加，使边缘尖锐。计算这种环的能量可以让我们找到有效的持久长度作为硬刚度和软刚度的几何平均值，这与无约束长DNA的调和平均值有很大的不同。
2008-09-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft q-bio.BM
J-factors of short DNA molecules
短DNA序列的倾向，转换成圆形的形式进行了研究介观哈密顿方法，其中包括分子轴的弯曲和固有的扭曲的DNA链。相对于螺旋直径的碱基对波动被视为虚时间路径积分形式主义的路径轨迹。封闭分子子系综的配分函数是通过在径向涨落和角自由度上施加链端边界条件来计算的。环化概率，J-因子，被证明是高度敏感的堆积电位，主要是其非线性参数。我们发现J因子通常通过减少序列长度（N）而降低，并且更显著地，低于N = 100个碱基对。然而，即使对于非常小的分子，J因子仍然相当大，与最近的实验指示一致。相邻碱基对之间的大弯曲角和非谐堆积是短长度尺度下螺旋柔性的原因。
2016-06-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Short DNA persistence length in a mesoscopic helical model
通过计算二聚体之间的平均关联函数来研究短DNA链的柔性，该函数定义了持久长度。路径积分技术已被应用到限制相空间可用于碱基对波动，并推导出配分函数。一组短链的表观持续长度已被计算为扭曲构象的函数在过扭曲和无扭曲的制度，从而平衡扭曲自由能最小化选择。所获得的值显着低于那些通常归因于千碱基长的DNA。这表明，在短的长度尺度，从大的波动效应和局部弯曲所产生的内在螺旋的灵活性，符合最近的实验迹象。螺旋解旋和持久性长度之间的相互作用已被讨论了一个异质片段的序列特异性通过非线性堆积电位的影响进行权衡。
2018-09-29 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Multi-plectoneme phase of double-stranded DNA under torsion
我们利用蠕虫链模型研究了DNA在张力和扭矩作用下的超螺旋。该模型再现了更广泛的力，盐浓度和轮廓长度比以前的方法的实验数据。我们的理论表明，第一次，系统的行为是如何控制的多plectoneme阶段在很宽的参数范围。这一阶段不仅会影响转向延伸曲线，而且会导致plectonemic阶段的非恒定扭矩。从以前的模型和实验数据之间的不一致的缺点是解决在我们的理论，而不需要可调参数。
2012-04-09 cond-mat.soft q-bio.BM
Persistence Length of DNA Macromolecule with Kinks
变形DNA构型参数的研究是细胞双螺旋压缩等重要生物学过程研究中的一个相关问题。伴随着规则大分子结构的局部破坏的变形引起双螺旋的显著弯曲或扭结。本文提出了一种用Kratky-Porod模型计算含扭结DNA大分子持久长度的方法。所提出的方法认为扭结的任意配置，包括两种基本类型的扭结，1型-尖锐扭结引起的unstacking一个单一的碱基对的步骤，和2型-内在诱导的扭结，涉及几个碱基对。利用该方法得到了扭结双螺旋的持续长度、螺旋尺寸和回转半径的解析表达式。
2014-10-20 physics.bio-ph q-bio.BM
Twist-bend coupling and the torsional response of double-stranded DNA
最近的磁镊实验报告了双链DNA的扭曲响应的可扭曲蠕虫状链模型的预测系统偏差。在这里，我们表明，通过分析结果和计算机模拟，这些差异可以解决，如果扭曲和弯曲之间的耦合被引入。我们得到一个估计为40 $\pm$ 10 nm的扭曲弯曲耦合常数。我们的模拟结果与高分辨率磁镊扭矩数据吻合良好。尽管很久以前就预测了扭转-弯曲耦合的存在（Marko和Siggia，Macromolecules 27，981（1994）），但其对DNA的机械性质的影响迄今为止在很大程度上尚未被探索。我们期望这种耦合在DNA静态和动态的几个方面起着重要的作用。
2017-05-31 cond-mat.soft q-bio.BM
DNA: From rigid base-pairs to semiflexible polymers
双螺旋DNA在纳米尺度上的序列依赖性弹性可以用刚性碱基对模型来描述，其应变是相邻碱基对的相对位置和方向。相应的弹性势已从全原子分子动力学模拟和高分辨率的结构数据。在100 nm的尺度上，DNA被成功地描述为一个连续的蠕虫状链模型，具有均匀的弹性特性，其特征在于一组四个弹性常数，这已经在单分子实验中直接测量。我们在这里提出了一个理论，将这些实验在不同的尺度上，通过系统粗粒度的刚性随机序列DNA的碱基对模型，一个有效的蠕虫状链描述。在我们的方法中完全考虑了分子的平均螺旋几何形状。我们发现，可用的微观参数集预测定性相似的介观参数。由分子动力学数据计算得到的热弯曲和扭转持续长度分别为42和48 nm。静态持续长度通常要高得多，与环化实验一致。所有的微观参数集预测负扭转拉伸耦合。随机短链的弯曲刚度的可变性和各向异性导致非高斯弯曲角分布，但在两个螺旋圈后变得不重要。
2006-11-15 q-bio.BM
Linear response of a grafted semiflexible polymer to a uniform force field
我们使用蠕虫状链模型来解析计算接枝半柔性聚合物对均匀力场的线性响应。结果是弯曲刚度、温度、总轮廓长度和相对于接枝端的场的取向的函数。我们还研究了正、负电荷周期交替排列的蠕虫链的线性响应。这可以被认为是一个模型的聚两性电解质与固有的弯曲刚度和可忽略的分子内相互作用。我们展示了有限的固有持续长度如何影响对外场的线性响应。
2004-07-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Equation of state of looped DNA
计算了DNA在拉伸状态下的状态方程。这种环在多价离子或滑动阳离子蛋白质接头存在下在DNA缩合期间瞬时发生。这种环状DNA的力的延伸关系建模为蠕虫状链计算通过路径积分的半经典极限。这使我们能够严格地确定高拉伸渐近。值得注意的是，力-延伸曲线的函数形式类似于直线DNA，但具有强烈的重整化表观持续长度。这意味着实验提取的单分子弹性不一定仅反映裸DNA刚度，还可以包含取决于整体链构象和长度的额外贡献。
2005-09-01 q-bio.BM
Determinants of cyclization-decyclization kinetics of short DNA with sticky ends
具有粘性末端的DNA的环化通常用于构建DNA微环和测量DNA可弯曲性。短DNA（< 150 bp）的环化概率具有很强的长度依赖性，但它如何依赖于粘性末端围绕螺旋轴的旋转定位尚不清楚。为了阐明短DNA环化概率的决定因素，我们使用单分子荧光共振能量转移（FRET）测量了具有粘性末端的~100-bp DNA在两个螺旋周期内的环化和解环速率。环化速率随长度单调增加，表明没有过度扭曲，而脱环速率随长度振荡，在半整数螺旋圈处较高，在整数螺旋圈处较低。振荡曲线在动力学和动力学上与三态环化模型一致，其中粘性末端的短DNA首先弯曲成扭转松弛的泪滴，随后在末端碱基堆叠时过渡到更稳定的环。我们还表明，从这项研究中提取的成环概率密度（J因子）与蠕虫状链模型在100 bp附近是很好的协议。对于较短的DNA，我们讨论了各种实验因素，防止J因子的准确测量。
2018-12-21 physics.bio-ph q-bio.BM
Comment on "Flexibility of short DNA helices with finite-length effect: From base pairs to tens of base pairs"
在分析DNA原子模拟的持久长度时，Wu等人[J. Chem. Phys. 142，125103（2015）]引入了一个经验公式来解释观察到的长度依赖性。特别是，他们发现持续时间随着距离的增加而增加。在这里，我们推导出的公式吴等。使用非本地扭曲蠕虫链，引入远端站点之间的耦合。最后，我们表明，相同的公式可以解释的长度尺度依赖的扭转持续长度，事实上，适用于任何一种聚合物模型与非本地耦合。
2021-10-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Unfolding and unzipping of single-stranded DNA by stretching
我们提出了一个理论研究的单链DNA拉伸。在所提出的框架内，可以结合链弹性的任意基础模型来研究碱基配对对分子机械响应的影响。在一个通用的情况下，我们表明，ssDNA的拉伸曲线表现出两个不同的功能：二阶“展开”相变，和一个尖锐的交叉，让人想起一阶“unzipping”在dsDNA的过渡。我们应用该理论的蠕虫状链（WLC）和自由关节链（FJC）模型的特殊情况下，并讨论了普遍的和模型依赖的功能的ssDNA的机械响应。特别是，我们表明，解压缩交叉的宽度与相互作用强度的变化是非常敏感的能量的发夹环。这为测试ssDNA的弹性开辟了一条新途径。
2004-07-26 cond-mat.soft q-bio.BM
Comments on "Length scale dependence of DNA mechanical properties"
最近的实验数据表明，在长尺度上工作良好的DNA弹性蠕虫状杆模型可能会在与生物学相关的短尺度上崩溃。根据Noy和Golestanian（Phys. Rev. Lett. 109，228101，2012）分子动力学（MD）模拟预测了接近实验数据的DNA刚性，并证实了这种断裂的一种情况，即对于几个螺旋圈的长度，DNA动力学表现出长程弯曲和拉伸相关性。早期使用类似力场的研究得出结论：（i）MD系统性地高估了DNA刚性，（ii）没有检测到与WLR模型的偏差。本文认为，上述论文中的数据分析是不正确的，早期的结论是有效的。
2013-09-18 q-bio.BM
Theory of High-Force DNA Stretching and Overstretching
单链和双链DNA的单分子实验引发了人们对聚合物力延伸的新兴趣。可扩展的自由连接链（FJC）模型经常被用来解释观察到的单链DNA的行为。我们证明，这个模型不能令人满意地描述最近的高力拉伸数据。相反，我们提出了一个模型（离散持久链，或“DPC”），该模型借用了FJC和Wormlike Chain的特征，并表明它与数据更相似。我们发现，以前归因于拉伸弹性的大部分高力行为实际上是校正熵弹性的一个特征;单链DNA的真实拉伸顺应性比以前的作者发现的小几倍。接下来，我们阐述我们的模型，允许共存的两种构象状态的DNA，每个都有自己的拉伸和弯曲弹性常数。我们的模型在计算上是简单的，并提供了一个很好的适合通过整个过度拉伸过渡的切口，双链DNA。拟合给出了拉伸状态的弹性常数的第一个值。特别地，我们发现DNA在这种状态下的有效弯曲刚度约为10 nm*kbt，这一值与B型或单链DNA完全不同
2002-06-27 physics.bio-ph q-bio.BM
Stretching weakly bending filaments with spontaneous curvature in two dimensions
一些重要的生物分子（例如，细菌FtsZ和真核生物DNA）已知会抑制自发（固有）曲率。使用一个简单的扩展蠕虫状链模型，我们研究了一个弱弯曲的细丝在两个维度上施加在其两端的拉力的响应（一种常见的配置在经典的体外实验和相关的几个体内细胞的情况下）。这种链或细丝的自发曲率一般可以是弧长依赖的，我们研究了正弦变化的情况下，从任意的情况下，可以通过傅立叶变换重建。我们得到了力-伸展关系和横向涨落宽度的解析结果。我们发现，自发曲率波动可以影响力的延伸行为，即使在相对灵活的长丝的持续长度小于轮廓长度。
2010-03-24 cond-mat.soft q-bio.BM
Role of Polymer Loops in DNA Replication
长分子中的环形成发生在自然界的许多地方，从碳纳米管的溶液到细胞内的聚合物。在这篇文章中，我们回顾了理论研究的静态和动态性能的聚合物环。例如，长聚合物必须搜索许多构型以找到“目标”结合位点，而短聚合物是刚性的并且抗弯曲。在这两者之间，有一个最佳的循环大小，它平衡了长循环的熵和短循环的能量成本。我们表明，这种简单的环形成的图片可以解释几个长期观察DNA复制，定量。
2003-09-22 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.OT
Weak tension accelerates hybridization and dehybridization of short oligonucleotides
张力下DNA的杂交和去杂交与基本的遗传过程和基于DNA的机械生物学测定的设计有关。虽然强张力加速DNA解链并减慢DNA退火，但弱于5 pN的张力的影响不太清楚。在这项研究中，我们开发了一种DNA弯曲试验，它使用双链DNA（dsDNA）的弯曲刚度施加在单链DNA（ssDNA）的目标在2 pN至6 pN的范围内的弱张力。将该测定与单分子FRET相结合，我们测量了张力下的15 nt ssDNA与8-9 nt oligo之间的杂交和去杂交动力学，并且发现对于所测试的各种核苷酸序列，杂交和去杂交速率均随着张力单调增加。这些发现表明，在其过渡态的有核双链体比纯dsDNA或ssDNA对应物更延伸。我们的模拟使用粗粒度oxDNA 2模型表明，增加的过渡态的扩展是由于不成对的ssDNA区域之间的排斥相互作用在彼此接近。这项研究突出了一个例子，理想的蠕虫状链模型无法解释DNA在低力状态下的动力学行为。
2022-04-19 physics.bio-ph q-bio.BM
Response of Worm-like Chains to Traveling-Wave Active Forces
本文提出半柔性鞭毛在行波主动力下的简化理论，通过将鞭毛建模为蠕虫状链，系统分析了外部扰动与固有弯曲刚度的竞争如何塑造类似真核生物轴丝的拍打动力学，并确定了影响鞭毛运动的关键参数。
2024-10-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Theory and simulations of toroidal and rod-like structures in single-molecule DNA condensation
多价阳离子的DNA缩合在病毒和精子头部的基因组包装中起着至关重要的作用，并且已经使用单分子实验方法进行了广泛的研究。在这些实验中，临界凝聚力的值已被用来估计吸引的DNA-DNA相互作用的幅度。在这里，为了描述这些实验，我们开发了一个分析模型和一个刚体朗之万动力学分析，以调查与自相互作用的聚合物的行为，在存在的牵引力施加在其末端。我们使用成对的吸引力的潜力模型的自我相互作用，从而治疗反离子隐含。分析模型可以准确地预测环形和棒状凝聚结构的平衡结构，以及临界凝聚力对DNA长度的依赖性。我们发现临界凝聚力强烈地依赖于DNA的长度，并且有限尺寸效应对于长度达10^5 μm的分子是重要的。我们的朗之万动力学模拟表明，力的延伸行为的棒状结构是非常不同的环形的，所以它们的存在在实验中应该很容易检测。在双链DNA缩合实验中，杆状结构的存在的特征没有被明确地检测到，这表明用于缩合DNA的多胺可以保护它免于在杆状结构中需要时急剧弯曲
2015-04-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Mechanical properties of Nucleic Acids and the non-local Twistable Wormlike Chain model
核酸的机械性质在许多生物过程中起着重要作用，这些生物过程通常涉及这些分子的物理变形。在足够长的长度尺度上（比如说在$\sim 20-30$碱基对以上），DNA和RNA双螺旋的力学是由均匀的可扭转蠕虫状链（TWLC）描述的，TWLC是一种以扭转和弯曲刚度为特征的半柔性聚合物模型。在较短的尺度下，该模型由于两个原因而崩溃：弹性特性变得依赖于序列，并且远端部位的机械变形变得耦合。在本文中，我们讨论了后者的效果使用的框架内的非本地TwistableWormlike链（nlTWLC）的起源。我们表明，通过比较DNA和RNA双螺旋的全原子模拟数据，在这两个分子的非本地耦合是非常相似的性质：远端站点之间的耦合是强倾斜和扭曲自由度和弱滚动。我们介绍并分析了一个简单的双链聚合物模型，阐明了这种普遍的远端耦合行为的起源。在这个模型中，被称为阶梯模型，nlTWLC描述出现从本地（原子）的自由度成角度变量，描述的扭曲和弯曲的分子的粗化。与其局部对应物不同，nlTWLC的特征在于长度尺度依赖的弹性。我们的分析预测，核酸在几个碱基对的尺度上是机械上较软的，并且在较长的长度尺度上是渐进地较硬的，这一行为与实验数据相匹配。
2022-08-11 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Effects of Kinks on DNA Elasticity
研究了具有可逆扭结结构缺陷的蠕虫状高分子链的弹性响应。这是一个通用的模型（a）双链DNA与某些蛋白质的结合诱导的急剧弯曲，和（b）在单链DNA的骨干trans-gauche旋转的影响。这个问题是解决了解析和数值推广众所周知的类比量子旋转器。在小的拉伸力制度，我们发现，由于扭结的存在，持续长度重整化。在相反的区域，对强拉伸的响应仅由裸持续长度决定，并由于“扭结的理想气体”而进行指数修正。在链条的高弯曲刚度的极限下，这种高力特性显著改变。在这种情况下，对机械响应的主要校正可能是由于多扭结结构（例如扭结对）的形成。
2005-02-28 cond-mat.soft q-bio.BM
Temperature dependence of circular DNA topological states
环状双链DNA具有不同的拓扑状态，这些拓扑状态由它们的连接数定义。通过连接酶将线性DNA闭合成环状，可以获得连接数的平衡分布。利用Monte Carlo模拟，我们预测了小的圆形DNA的连接数分布的温度依赖性。我们的预测是基于灵活的缺陷激发导致局部熔化或unstacking的DNA碱基对。我们发现，降低弯曲刚度单独可以导致可测量的变化的短圆形DNA的连接数分布的方差。如果缺陷伴随着局部解旋，则影响变得更加突出。这些预测结果易于在实验中进行验证，为研究急剧弯曲DNA的微观力学和特定DNA序列的热稳定性提供了一种新的方法。此外，预测是直接适用于结合的DNA扭曲蛋白，可以局部降低DNA刚性，形成DNA扭结，或引入本地解旋的研究。
2009-04-23 q-bio.BM q-bio.QM
The Physical Origin of Intrinsic Bends in Double Helical DNA
由规则重复的腺嘌呤束（A束）在双螺旋B-DNA中诱导的宏观弯曲是一个长期已知的，但仍然无法解释的现象。这种效应在DNA研究中发挥着关键作用，因为它在可用实验信息的数量和种类上是独一无二的，因此很可能成为通往基因组序列识别和调节的未知一般机制的大门。我们报道了一个25-mer的B-DNA片段的分子动力学模拟结果，该片段的序列包括三个与螺旋定相的A-区。它代表了第一个模型系统，其中正确定向的静态曲率自发地出现在除了碱基对序列之外不包括任何初始偏差的条件下。该效应已在10-20 ns的三个独立MD轨迹中再现，具有重要的定性细节，表明最终弯曲状态是形成构象空间的广泛域的轨迹的强吸引子。然而，弯曲构象的合奏，揭示了显着的微观异质性的矛盾，所有现有的弯曲理论模型。对这些意想不到的观察结果的分析导致了一个新的，显著不同的双螺旋DNA内在弯曲的可能机制的假设。
2000-04-19 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
