Single DNA conformations and biological function
从纳米科学的角度来看，细胞过程及其减少的体外模拟为高度稳健的少数或单分子反应途径提供了非凡的例子。一个主要的例子是涉及DNA分子的生化反应，以及这些反应与DNA物理构象的耦合。在这篇综述中，我们总结了最近的结果，对以下现象：我们调查的生物物理性质的DNA循环和DNA结的平衡配置，其相关的生物过程越来越多地赞赏。我们讨论了随机DNA循环可能与蛋白质在DNA分子上的特异性结合位点的目标搜索过程的效率有关。我们详述间歇性DNA纳米气泡的自发形成及其对生物过程的重要性，如转录起始。DNA的物理性质可能确实特别适合在纳米传感应用中使用DNA。
2006-11-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Surface charges effects on the 2D conformation of supercoiled DNA
我们将质粒PuC19 DNA吸附在支持的双层膜上。脂质在双层内的流动性确保了DNA分子的2D平衡。通过改变膜中阳离子脂质的比例，我们调整了表面电荷。用原子力显微镜（AFM）对等离子体的构象进行了成像，我们进行了两组实验：无盐溶液在带电双层膜上的沉积和盐溶液在中性双层膜上的沉积。根据实验条件的不同，质体可以被看作是环，完全开放的结构，或紧密超螺旋的plectonemes。plectonemic构象观察到的带电表面（在盐的情况下）或在30 mM的盐浓度的中性双层。我们证明了通过移动界面电荷进行表面屏蔽和通过盐离子进行体屏蔽的等效性。
2012-05-14 cond-mat.soft physics.bio-ph 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
Kinetics of double stranded DNA overstretching revealed by 0.5-2 pN force steps
对双链DNA构象可塑性的详细描述是理解蛋白质-DNA相互作用的必要框架。然而，到目前为止，从ds-DNA的基本构象（B状态）到1.7倍长和部分解绕构象（S状态）的转变的结构和动力学尚未被定义。在此，使用双激光光镊以前所未有的分辨率测量了双链噬菌体的ds-DNA的力-延伸关系，该双激光光镊可以施加0.5-2 pN（25 C）的毫秒力阶跃。这种方法揭示了双链DNA中间态之间的过渡动力学，并揭示了单一反应步骤的速率常数的负载依赖性。DNA过度拉伸跃迁本质上是一个由5.85 nm台阶组成的两态反应，表明约25个碱基对的协同性。这种机制将单一反应的自由能增加到~94 kBT，解释了DNA基本构象的稳定性，并解释了平衡时力-延伸关系中没有滞后现象。对双链DNA的B-S跃迁的动力学和能量学的新描述提高了我们对S态在DNA-蛋白质机器的力学和酶学之间相互作用中的生物学作用的理解。
2011-03-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Conformations of closed DNA
我们研究了封闭DNA的一小段模型的构象。该分子被表示为一个圆柱对称的弹性杆与相应的连接数的规格的约束。我们得到的解析表达式导致一个家庭的解决方案的空间配置表示的扭曲，插入之间的圆形形式的DNA和一个数字8的形式，表示发病的缠绕。我们还可以生成打结的循环。我们建议如何使用我们的方法来产生其他配置相关的DNA结构的研究。扭曲的配置的稳定性进行评估，随着波动的各种配置的自由能的影响。
1999-03-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Nanoconfined circular and linear DNA - equilibrium conformations and unfolding kinetics
从基本的聚合物物理学角度和由于环状DNA分子在体内的重要性，对局限于纳米流体通道的环状DNA的研究是相关的。在这里，我们观察到展开的DNA从圆形到线性配置作为光诱导的双链断裂发生，表征的动力学，并比较线性和圆形配置的平衡构象统计。这很重要，因为它使我们能够确定现有的统计理论在多大程度上描述了受限环状DNA的延伸。我们发现，受限的线性和环状DNA配置的扩展的比例增加的缓冲液浓度降低。实验结果落在理论预测之间的扩展de Gennes制度在较弱的约束和Odijk制度在较强的约束。我们表明，它是可以直接区分环状和线性DNA分子通过测量从DNA的发射强度。最后，我们确定的速度展开，并表明，这个速度是更大的限制DNA，可能反映了相应的更大的差异，在熵之间的圆形和线性配置。
2016-05-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Hairygami: Analysis of DNA Nanostructures' Conformational Change Driven by Functionalizable Overhangs
本研究针对DNA origami结构成像无法捕捉完整构象、易引发客体分子虚假相互作用的问题，通过模拟与实验发现功能化单链悬突会熵驱动二维DNA origami片产生曲率，还开源了相关增强采样模拟代码。
2024-08-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
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
Conformation And Mechanical Response of Spray Deposited Single Strand DNA on Gold
吸附在表面的DNA链的单分子力谱是一种在空气或液体环境中用于量化其机械性能的强大技术。尽管到目前为止，力响应仅限于展开事件，但单碱基检测在更剧烈的清洁条件下（例如超高真空）可能是可能的。在这里，我们报告的高分辨率成像和拉尝试在低温（5K）的单链DNA（ssDNA）分子组成的20个胞嘧啶碱基吸附在Au（111）的扫描探针显微镜和数值计算。利用电喷雾沉积技术，ssDNA成功地从溶液转移到保持在超高真空的表面上。实空间表征表明，ssDNA在金上具有与数值计算一致的无定形结构。随后的衬底退火促进溶剂分子、作为单个分子的DNA的解吸以及DNA自组装的形成。此外，已经进行了通过力谱的拉伸实验以测量ssDNA在分离时的机械响应。在力曲线中观察到0.2至0.3nm的周期图案，该图案由单核苷酸碱基在金上的粘滑引起。虽然在力曲线中获得了分子内响应，但由于吸附在金上的ssDNA的复杂结构，不可能清楚区分每个核苷酸的分离。
2018-04-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Molecular Dynamics Studies of Changes in the DNA- Structure as Result of Interactions with Cisplatin
顺铂和d（CTCTG*G*TCTC）2双链体DNA在具有明确的抗衡离子和水分子的溶剂中的3 '-单官能加合物在纳秒时间尺度上用AMBER力场进行MD模拟。为了模拟Pt和5 '-鸟嘌呤-N7原子之间的键合，在MD期间逐渐增加作用在它们之间的力。在500-800 ps后，观察到单加合物（具有连接到一个鸟嘌呤-N7的顺铂残基的直链DNA）向总线加合物（其中Pt原子通过相邻鸟嘌呤的N7原子连接的弯曲DNA）的转化。在腭酸鸟嘌呤之间形成空腔并填充溶剂分子。中心碱基对的快速倾斜引发整个分子从线性构象到弯曲构象的缓慢转变。大约1000-1300 ps后，达到了稳定的结构，这与实验描述的结构非常相似。Pt-原子和第二鸟嘌呤的N7之间的吸引力在由加合物-加合物的形成引起的大的构象变化中起主要作用。X-N-Pt-N-扭转加速弯曲，但扭转力常数大于0.2 Kcal/mol导致碱基对内的氢键断裂。本研究是第一个动态模拟，演示了在实时规模这样一个大的构象扰动的DNA。
2011-07-20 q-bio.BM
Inferring coarse-grain histone-DNA interaction potentials from high-resolution structures of the nucleosome
核小体中的组蛋白-DNA相互作用是基因组压缩和调控的基本机制，尽管对复合物的结构知识不断增长，但这在很大程度上仍然未知。在这里，我们提出了一个框架，用于从一系列高分辨率结构中提取纳米级组蛋白-DNA力场，这可能适用于更大一类的蛋白质-DNA复合物。我们应用程序上的一个大型晶体数据库扩展快照从分子动力学模拟。结构模型的比较首先表明，在组蛋白-DNA接触的位点，DNA碱基对局部向外移动，与组蛋白施加的局部排斥力一致。在第二步中，我们表明，分析结构的各种力的配置文件来自本地从一个独特的，序列独立的，二次排斥力场，而序列的偏好是完全由于内部的DNA力学。因此，我们获得了第一个知识衍生的纳米级的核小体中的组蛋白-DNA相互作用的潜力。在这种潜在的高亲和力序列的核小体DNA的松弛获得的构象准确地再现结合偏好的实验值。最后，我们通过计算具有序列平均性质的核小体DNA的构象，解决了与核小体中80%的基因组序列相关的更通用的结合机制。这种构象被发现不同于晶体中发现的构象，并且分析表明，排斥组蛋白力与核小体DNA中的局部拉伸张力有关，主要是在连续的接触点之间。这种紧张关系可能在复合体的稳定性中发挥作用。
2014-11-03 physics.bio-ph q-bio.BM
Crowding induces entropically-driven changes to DNA dynamics that depend on crowder structure and ionic conditions
大分子拥挤在包括基因表达、染色体压缩和病毒感染在内的广泛的生物过程中起主要作用。然而，拥挤对核酸动力学的影响仍然是一个争论的话题。为了解决这个问题，我们使用单分子荧光显微镜和自定义粒子跟踪算法来研究不同的大分子拥挤条件对大DNA分子的运输和构象动力学的影响。具体而言，我们测量的均方质心位移，以及构象的大小，形状和波动，个别115 kbp的DNA分子扩散通过各种拥挤的聚合物在体外解决方案。我们确定拥挤的结构和浓度的作用，以及离子条件下，DNA的扩散和构型动力学。我们发现，分支，紧凑的crowders（10 kDa PEG，420 kDa Ficoll）驱动DNA紧凑，而线性，灵活的crowders（10 kDa，500 kDa葡聚糖）导致DNA伸长。有趣的是，增加拥挤浓度降低DNA迁移率的程度似乎在很大程度上对拥挤结构（分支与线性）不敏感，尽管在每种情况下DNA呈现高度不同的构型。我们还表征了离子条件对拥挤诱导的DNA动力学的作用。我们发现，DNA扩散和构象的大小表现出紧急的非单调依赖于盐浓度，是没有看到在没有拥挤。
2018-03-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Label-free optical detection of single enzyme-reactant reactions and associated conformational changes
监测单个酶的动力学和构象动力学对于更好地理解它们的生物学功能至关重要，因为这些运动和结构动力学通常在分子之间不同步。然而，由于通常需要对反应物或酶本身进行标记，因此在单分子基础上检测酶-反应物相互作用和酶的相关构象变化仍然是现有光学技术的挑战。标记过程通常是不平凡的，标记本身可能会扭曲酶的物理性质。在这里，我们展示了一种光学，无标记的方法，能够观察酶的相互作用和相关的构象变化的单分子水平上。我们监测聚合酶/DNA的相互作用，通过强近场增强等离子体纳米棒共振耦合到微腔中的回音壁模式。具体来说，我们采用两种不同的识别方案：一种是在DNA功能化纳米棒附近探测聚合酶/DNA相互作用的动力学，另一种是通过固定在纳米棒上的聚合酶分子的构象变化的大小来探测这些相互作用。在这两种方法中，我们发现，低和高聚合酶活性可以清楚地辨别通过其特征信号幅度和信号长度分布。此外，监测相互作用的热力学研究表明，DNA聚合的发生。这项工作构成了通过等离子体增强微腔的酶活性的概念验证研究，并建立了一种能够研究单分子结构变化的替代和无标记方法。
2017-01-03 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
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
Multilevel Deconstruction of the In Vivo Behavior of Looped DNA-Protein Complexes
具有环的蛋白质-DNA复合物在从DNA转录的调节到端粒维持的各种细胞过程中发挥重要作用。尽管它们无处不在，但它们的精确体内特性及其整合到细胞功能中仍然在很大程度上未被探索。在这里，我们提出了一个多层次的方法，有效地连接在两个方向的分子特性与细胞生理学，并使用它来表征的环状DNA-lac阻遏物复合物的分子特性，而在体内发挥作用。我们发现的属性包括存在的两个代表性的构象的复杂的，稳定的一个构象的DNA建筑蛋白质，和精确的值的基本扭转弹性常数和弯曲自由能。将所有这些分子信息整合到基因调控模型中，揭示了环状DNA-蛋白质复合物在塑造基因表达特性方面前所未有的多功能性。
2007-04-18 q-bio.BM q-bio.SC
Low-frequency vibrations of water molecules in minor groove of the DNA double helix
在DNA双螺旋的水化壳层中的结构化水分子的动力学对于理解许多生物学机制是至关重要的。特别是，在DNA小沟中形成的水刺的振动动力学是本研究的目的。在已发展的唯象模型的框架内，基于DNA构象振动的方法，建立了氢键伸缩、主链振动和水平移振动的模式。水分子的翻译振动的计算频率根据核苷酸序列从167到205 cm $^{-1}$变化。水的振动模式高于DNA的内部构象振动模式。计算出的水的振动频率与DNA的实验低频振动光谱有足够的一致性。所获得的模式的水的振动观察到在相同的区域的DNA的振动光谱的水分子在体相中的平移振动。为了区分DNA小沟中水分子的振动与本体水中的振动，还考虑了DNA与重水的动力学。结果表明，在重水的情况下，振动频率降低约10 cm $^{-1}$，这可用于实验中，以确定在DNA小沟中的水化的脊柱中的水振动模式。
2020-12-08 q-bio.BM
Molecular Dynamics of a kB DNA Element: Base Flipping via Cross-strand Intercalative Stacking in a Microsecond-scale Simulation
DNA的序列依赖性结构变异性和构象动力学在许多生物学环境中起关键作用，例如在转录因子与靶调控元件的位点特异性结合中。为了更好地理解DNA的结构、功能和动力学，特别是“kB”家族遗传调控元件中的蛋白质-DNA识别，我们对20个碱基对的DNA进行了分子动力学模拟，该DNA包含由NF-kB转录因子的原癌基因“c-Rel”亚家族识别的同源kB位点。在明确的水kB DNA的模拟扩展到微秒的持续时间，提供了一个广泛的，原子详细的一瞥到双螺旋DNA的结构和动力学行为在许多时间尺度。特别值得注意的是，新的（和结构上合理的）构象的DNA开发只有在长时间的采样在这个模拟-包括一个特殊的状态出现在约0.7 us，其特征是跨链插入堆叠的核苷酸内的一个剪切的碱基对，随后（约1 us）由一个相邻的胸腺嘧啶内的A-丰富的双链自发碱基翻转。从美国规模的模拟的结果和预测包括动态NF-κ B识别基序的影响，并通过本文建议的具体实验方法进行测试和进一步探索。
2014-07-18 q-bio.BM
Helix-coil Transition in Closed Circular DNA
本文提出了一个闭合环状DNA（ccDNA）的简化模型，以描述这种分子中螺旋-卷曲转变的一些特殊特征。ccDNA的哈密顿量与前面介绍的线性DNA的哈密顿量有关。基本假设是氢键的折合能量在整个过渡过程中不是恒定的，而是有效地依赖于已经断裂的键的分数。得到一个转换公式，它涉及在一个给定的螺旋度的ccDNA的温度在过渡到相应的线性链在相同的螺旋度的温度。该公式提供了从具有相同核苷酸序列的线性DNA的实验解链曲线计算ccDNA的解链曲线的简单方法。
2004-01-15 q-bio.BM
Molecular behavior of DNA in a cell-sized compartment coated by lipids
研究了长DNA分子在细胞大小的有限空间中的行为。我们制备了被磷脂覆盖的油包水液滴，其模仿细胞的内部空间，随后用未折叠的螺旋和折叠的小球构象封装DNA分子。显微镜观察发现，卷曲DNA在膜表面的吸附依赖于囊泡空间的大小。球状DNA在膜上吸附后表现出细胞大小依赖性的展开转变。此外，当DNA与两相膜表面相互作用时，DNA根据其构象选择性地吸附在膜相，例如有序相或无序相。我们讨论了这些趋势的机制，考虑DNA的自由能与多胺在溶液中。该模型的自由能与实验数据吻合较好。DNA和多胺与膜表面的协同作用导致分子系统在小空间中的尺寸依赖行为。这些发现可能有助于更好地理解细胞内分子事件和反应的物理机制。
2015-04-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Stretching and relaxation dynamics in double stranded DNA
我们数值研究了双链DNA分子的力学稳定性和弹性性能的网络模型的框架内，将微观自由度与碱基对的安排。我们特别关注双链DNA分子被迫进入非平衡构象的开-闭动力学。在DNA分子的一端施加的机械应力使其进入部分打开的构型。我们研究了随后的弛豫动力学与能量交换过程之间的各种自由度和结构重排，导致完全重组的双链构象。详细讨论了平面梯状DNA分子和扭曲DNA分子弛豫动力学的异同。通过这种方式，我们表明，在扭曲DNA形式的情况下，达到准平衡状态的速度比其灵活性较低的梯形对应物更快。此外，我们还发现DNA分子完全重组的速度低于强迫单元所施加的速度，这与DNA分子开合循环的实验观察相符。
2003-06-12 cond-mat.soft nlin.PS 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
Numerical study of linear and circular model DNA chains confined in a slit: metric and topological properties
利用先进的蒙特卡罗模拟研究了纳米缝约束对模型DNA链的度规和拓扑性质的影响。我们考虑线性和环状链的轮廓长度在1.2- 4.8 $μ$ m的范围和狭缝宽度连续跨越50- 1250 nm的范围。由de Gennes的斑点模型预测的度量缩放被示出为线性和环状DNA保持到最强的限制水平。更值得注意的是，环状DNA分子的拓扑性质与三维限制相比有两个主要差异。首先，整体打结概率是非单调的增加限制，可以大大提高或抑制相比，散装的情况下，通过简单地改变狭缝宽度。其次，结人口由结，是远远简单的比三维约束。结果表明，纳米狭缝可用于纳米流体装置中，以产生具有简单拓扑结构（包括未结）的DNA环，或通过结类型分离DNA环的异质集合。
2012-04-09 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
The "sugar" coarse-grained DNA model
已经开发了20多个粗粒度（CG）DNA模型，用于模拟这种分子在各种条件下的行为，包括纳米技术所需的行为。然而，这些模型都不能再现与DNA骨架核糖环构象变化相关的DNA多态性。这些变化对DNA的局部变形性做出了重要贡献，并提供了DNA双螺旋在与生物分子相互作用期间从B型转变为A型的可能性。我们提出了一个CG表示的核糖构象的灵活性。我们证实了选择的CG网站（每核苷酸6个）所需的“糖”GC DNA模型，并获得了潜在的CG网站之间的相互作用的“自下而上”的方法，使用全原子琥珀力场。我们表明，核糖的灵活性的表示需要一个非谐波和一个三粒子的潜力，这两种潜力的形式是不同的，从通常使用的。该模型还包括（i）离子的显式表示（在隐式溶剂中）和（ii）序列依赖性。利用这些特征，糖CG DNA模型在相应的条件下再现（具有相同的参数）B-和A-稳定形式，并且展示A到B和B到A相变。
2016-07-07 physics.chem-ph q-bio.BM
Twist neutrality, a zero sum rule for oriented closed space curves with applications to circular DNA
链分子的全局约束和局部材料性质之间的相互作用是一个新兴的兴趣。对本质上是手性的分子的研究，例如双链DNA，就是一个例子。它们的性质通常取决于局部几何形状，即曲率和挠率，但封闭分子的路径受到拓扑结构的全局限制。满足扭曲中性条件的分子，即沿着曲线的缠绕速率增量变化的零和规则，将对应变表现为中性。这对质粒有影响。对于小的环状microDNA，必须存在使其成为双链的最小长度。也就是说，所有比最小长度长的microDNA都必须是凹的。这个违反直觉的结果与环状DNA观察到的扭结样外观一致。预测的总负曲率的圆形microDNA作为其长度的函数。
2013-02-14 physics.bio-ph q-bio.BM
Helix untwisting and bubble formation in circular DNA
研究了环状分子的碱基对涨落和螺旋解扭。提出了一个包含扭转自由度和分子轴弯曲的真实介观模型。的计算方法，路径积分技术的基础上，模拟分布的拓扑异构体与不同的扭曲数，并发现积极最有利的分子构象作为温度的函数。该方法可以在较宽的温度范围内预测特定序列的螺旋重复序列、开口位点和气泡大小。最近在哺乳动物细胞中发现的短DNA环的一些结果。
2013-05-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Charge transport in l-DNA probed by conducting-AFM, and relationship with its structure
我们研究了DNA样品的电导率作为DNA分子数量的函数。我们发现，绝缘间隙（低电压下无电流）从束和大绳的约1-2 V增加到少数DNA分子的约4-7 V。从距离依赖性的电流变化，一个独特的跳跃距离约3 nm的计算（极化子跳跃模型）独立于样品中的DNA的数量。单个DNA的高电阻行为与其在表面上的扁平构象相关（与其标称值约2 nm相比，厚度减小约0.5-1.5 nm）。
2003-10-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft q-bio.BM
Macroscopic loop formation in circular DNA denaturation
固定连接数下DNA变性的统计力学与无约束DNA变性的统计力学有本质的不同。从两个可供选择的假设，即变性环的形成是以1）过度扭曲，2）超螺旋为代价的，可以得出数量上不同的熔化情景。最近的工作表明，超螺旋机制的结果在一个类似BEC的图片，宏观循环出现在Tc和稳定增长的温度，而变性相的性质的过度扭曲的情况下还没有被研究。通过推广以前的结果，我们在这里表明，宏观环出现在过扭曲的情况下。我们计算它的大小作为温度的函数，并表明，微观循环的总和的分数降低高于Tc，在临界点的尖点。
2012-04-01 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Length scale dependence of DNA mechanical properties
尽管DNA的机械性质在千碱基对范围内得到了很好的表征，但最近的一些实验表明，DNA在较短的长度尺度上更灵活，这对应于对细胞过程至关重要的机制，如DNA包装和基因调控。在这里，我们进行了系统的研究，在不同的长度尺度的DNA的有效弹性性能的探测的构象和波动的DNA从单碱基对水平到四个螺旋圈，使用原子模拟的轨迹。我们发现的证据，支持合作软化的拉伸模量，并确定产生这种效果的基本模式。弯曲的相关性表现出调制，反映了螺旋的周期性，而它产生了一个合理的值的有效持久性长度，和扭曲模量经历了一个平滑的交叉-从一个相对较小的值在单个碱基对水平的散装值-超过一半的DNA转。
2012-10-26 q-bio.BM
Entropic Penalties in Circular DNA Assembly
采用一种新的路径积分计算方法，在实空间中处理稳定分子的基本力，研究了DNA环状分子的热力学性质。通过模拟一个广泛的扭曲构象合奏的碱基对和堆叠贡献的经典行动分别进行评估。我们得到，对于两个短序列，一个自由能景观与多个井对应的最方便的螺旋重复的值。我们的研究结果指出了一个固有的灵活性的圆形结构中的碱基对波动移动系统从一个井到下一个，从而导致当地的螺旋解旋。后者在较短的序列中更明显，其环化导致更高的弯曲应力。与形成的有序螺旋结构的熵减少估计。
2014-11-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Mass-Resolved Electronic Circular Dichroism Ion Spectroscopy
DNA和蛋白质是手性的：它们的三维结构不能与镜像叠加。圆二色光谱被广泛用于表征手性化合物，但在混合物的情况下，数据解释是困难的。我们首次记录了在质谱仪中分离的DNA螺旋的电子圆二色光谱。我们电喷雾富含鸟嘌呤的链具有各种二级结构作为负离子，用激光照射它们，并测量左和右圆偏振光之间的电子光剥离效率的差异。重建的圆二色性离子光谱类似的解决方案，从而使我们能够分配的DNA螺旋拓扑结构。直接在生物分子离子上测量圆二色性的能力扩展了质谱用于结构分析的能力。
2020-02-04 physics.bio-ph q-bio.BM
Multiple Lac-mediated loops revealed by Bayesian statistics and tethered particle motion
细菌转录因子LacI通过同时结合到DNA上的两个独立位置来使DNA成环。尽管是一个最好的研究模型系统的转录调控，环结构的数量和构象的访问LacI仍然不清楚，虽然多个共存的循环的重要性已被牵连在LacI和其他细胞调节基因表达之间的相互作用。为了探讨这个问题，我们已经开发了一种新的分析方法拴系粒子运动，一个通用的和常用的体外单分子技术。我们的方法，vbTPM，进行变分贝叶斯推断隐马尔可夫模型。它学习不同状态的数量（即，DNA-蛋白质构象）直接从系留粒子运动数据，具有比现有方法更好的分辨率，同时容易校正常见的实验伪影。研究短（约100 bp）的LacI介导的环，我们提供了三个不同的环结构的证据，比以前报道的单分子研究。此外，我们的研究结果证实，LacI构象和DNA结合拓扑结构的变化都有助于在体外形成的LacI介导的环的剧目，并提供定性的循环和转录调控模型的新输入。我们预计vbTPM将广泛用于探测复杂的蛋白质-核酸相互作用。
2014-06-18 physics.bio-ph physics.data-an q-bio.BM
Increase of cationic concentration due to bending of overcharged DNA in strong Coulomb coupling regime
这项研究表明，在强库仑耦合制度，弯曲直的和完全过充电的DNA（最大接受多价抗衡离子）到一个圆圈释放一些吸附（相关）抗衡离子，但仍然保持完全过充电。这种现象似乎是DNA的最低能量状态所固有的。根据定义，大离子-抗衡离子系统的总静电势能在确保最稳定构象的过充电抗衡离子的最大接受度处达到其最低点。这种中间现象的阳离子从DNA表面的释放，由于弯曲可以考虑在理论建模中的一些离子浓度依赖的物理化学方面的DNA解决方案在强库仑耦合制度。
2013-07-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
DNA cyclization and looping in the wormlike limit: normal modes and the validity of the harmonic approximation
在过去三十年的大部分时间里，蒙特卡罗模拟方法一直是准确计算具有序列依赖性弯曲或不均匀弯曲柔性的DNA模型的环化概率、$J$或J因子的标准方法。然而，在过去的十年中，半柔性聚合物模型的谐波分析的基础上的方法已经推出，它提供了更大的计算效率比蒙特卡罗技术。这些方法考虑的是关于一个明确定义的弹性能量最小值的谐波波动方面的分子构象的合奏。然而，谐波近似仅适用于小系统，因为较大系统的可及构象空间越来越多地由非谐波贡献主导。在J因子的计算值的情况下，作为DNA长度的函数的$J$的精确值的谐波近似的偏差尚未被表征。使用最近，数值精确的方法，占非谐和谐波贡献$J$的蠕虫状链的任意大小，我们在这里报告的明显错误，结果从忽略非谐行为。对于蠕虫状链的轮廓长度小于四倍的持久性长度的误差$J$所产生的谐波近似一般是小的，相当于自由能小于热能，$k_B T$。然而，对于较大的系统，谐波和精确$J$值之间的偏差随着尺寸近似线性地增加。
2015-07-28 cond-mat.soft q-bio.BM
Ion assisted structural collapse of a single stranded DNA: a molecular dynamics approach
带负电荷的核酸的结构和动力学与带相反电荷的抗衡离子的浓度和电荷密切相关。众所周知，DNA的结构崩溃在额外的盐的存在下是有利的，额外的盐是过量的带相反电荷的离子的来源。在这样的条件下，单链DNA采用折叠的卷曲样构象，通常以堆叠碱基对为特征。使用原子分子动力学模拟，我们证明，在额外的二价盐（MgCl 2）的存在下，单链DNA（Dickerson德鲁十二聚体）最初崩溃，然后扩大随着盐浓度的增加。这是由于过充电诱导的DNA链溶胀，这是较高二价盐浓度下的主导因素。简而言之，我们的模拟显示了在二价盐的存在下，非顺序碱基堆积和过度充电如何与单价盐不同地竞争和影响单链DNA动力学。
2015-08-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Effect of magnesium ions on dielectric relaxation in semidilute DNA aqueous solutions
用介电谱研究了Mg ~（2+）对半稀释DNA水溶液介电弛豫的影响。De Gennes-Pfeuty-Dobrynin半稀释溶液相关长度是足够低浓度的添加盐的相关基本长度尺度，描述了Mg-DNA溶液的集体性质。在低DNA浓度下没有检测到导致暴露的疏水核心结垢的DNA变性气泡的松弛指纹，因此表明与Na-DNA溶液的情况相比，Mg-DNA溶液中的双链构象的稳定性增加。在与单分子DNA性质有关的基本长度尺度的行为中检测到一些变化，反映了Odijk-Skolnick-Fixman类型的修改的静电屏蔽效应。所有结果一致地表明，Mg 2+离子与DNA以与Na 1+离子类似的方式相互作用，它们的作用主要通过增强筛选来描述。
2013-11-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Elastic Model for Dinucleosome Structure and Energy
使用弹性模型研究了双核体的平衡结构，该模型考虑了力和扭矩平衡条件。利用适当的边界条件，发现问题的构象能不依赖于连接DNA的长度。此外，它表明，两个组蛋白八聚体几乎是垂直的彼此和短长度的接头DNA几乎是直的。这些发现可能有助于了解DNA弹性在染色质结构中的作用。
2016-07-11 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.GN
Molecular dynamics simulations of a single stranded (ss) DNA
本研究的目的是发展对短单链DNA（ssDNA）的理解，以帮助开发新的基于DNA的生物传感器。从p53基因的130-145密码子序列构建了含有12个碱基的ssDNA模型。利用分子动力学（MD）模拟研究了ssDNA的核酸骨架的各种热力学宏观观测量，如温度、能量分布以及均方根偏差（RMSD）。AMBER程序用于构建ssDNA的结构模型，并使用NAMD程序在三个不同的系综中进行原子分子动力学模拟。采用微正则系综（NVE）、锥形系综（NVT）和等压等温系综（NPT）比较ssDNA在水溶液中的平衡特性。我们的研究结果表明ssDNA的构象稳定性依赖于热力学条件。
2012-07-21 physics.bio-ph physics.comp-ph 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
Supercoil formation in DNA denaturation
我们将波兰-Scheraga（PS）模型推广到环状DNA的情况下，考虑到两个菌株相互缠绕。在最近的单分子DNA链实验的指导下，我们假设由变性引起的扭转应力强制形成超螺旋，其扭曲吸收了由环排出的连接数。我们的模型预测，当一个环的熵参数满足$c \le 2$，变性转变不发生。另一方面，对于$c>2$，一级变性转变与我们的模型一致，并且可能发生在实际系统中，如在没有超螺旋的情况下。这些结果与环状DNA解链的其他处理相反，在其他处理中，变性被认为伴随着扭曲的增加，而不是在结合的片段上扭动。
2009-06-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Relaxation of DNA curvature by single stranded breaks: Simulations and experiments
最近提出的压缩骨架理论表明，DNA中的固有曲率可能是由特定骨架长度和最佳碱基堆积方向之间的几何失配引起的。它预测，在A束重复的曲率可以通过引入单链断裂（切口）放松。这种效应以前没有被测试过，也不能用DNA弯曲的替代模型来解释。在这里，在一个专门设计的一系列切口DNA片段的曲率进行了测试实验，凝胶迁移率测定，同时，通过自由分子动力学模拟。单链断裂对随机序列DNA的凝胶迁移率几乎没有影响。与此相反，切口A-道片段揭示了一个规则的调制曲率取决于相对于整体弯曲的链断裂的位置。当切口出现在A束内时，观察到最大松弛。模拟结果部分再现。计算弯曲的DNA构象的分析揭示了一组糖原子，表现出减少的骨架长度内的A-道，这可以对应于压缩假说。
2003-11-06 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
End-to-end distance and contour length distribution functions of DNA helices
我们提出了一种计算方法来评估端到端和轮廓长度分布函数的短DNA分子所描述的介观哈密顿量。该方法生成一个大的统计合奏的序列中的每个二聚体的可能的配置，选择全球平衡扭曲构象的分子，并确定沿分子骨架的平均碱基对距离。整合的碱基对的径向和角度的波动，我们得出的室温分布函数作为序列长度的函数。最可能的端到端的距离和轮廓长度距离，提供了一个全球分子大小的措施，所获得的值被用来检查在短的长度尺度的DNA的灵活性。据发现，也在分子小于$\sim 60$碱基对，卷曲的配置保持一个大的统计权重，一贯的，持久性长度可能比在千碱基DNA小得多。
2018-07-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Dielectrophoresis of nanoscale dsDNA and humidity effects on its electrical conductivity
建立了介电泳法在纳米电极间捕获和吸附纳米双链DNA的方法。该方法给出了一个高产率的捕获单个或几个分子，使运输测量在单分子水平。测量了单个140 nm长的DNA分子的电导率，显示出在干燥条件下的绝缘行为。相反，在潮湿条件下观察到电导率的明显增强，这与DNA分子的构象及其电导率之间的相互作用有关。
2005-10-31 cond-mat.other cond-mat.soft physics.bio-ph
Strand displacement: a fundamental mechanism in RNA biology?
DNA和RNA通常被认为是分子生物学中的中心分子。DNA/RNA纳米技术领域的最新进展成功地使用DNA/RNA作为可编程分子来构建具有预定形状和功能的分子机器和纳米结构。动态控制这些DNA/RNA纳米器件构象的关键机制是一种称为链置换的反应，其中形成的双链体中的一条链被第三条入侵链取代。虽然DNA/RNA链置换主要用于从头设计分子器件，但我们在这篇综述中认为，这种反应也可能在多个细胞事件中发挥关键作用，例如基因重组，基于CRISPR的基因组编辑和RNA共转录折叠。我们介绍了链置换反应的一般机制，给出了它在分子机器的建设中的应用的例子，最后回顾了自然过程的特点，这表明链置换正在发生。
2019-03-28 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.MN
