Elastic Rod Model of a Supercoiled DNA Molecule
我们研究了超螺旋DNA分子的弹性行为。最简单的模型是杆状链，包括两个弹性常数，弯曲和扭转刚度。我们发现，这个模型是奇异的，需要一个小的距离截止，这是一个自然的长度尺度，给出了该模型的有效性的限制，双螺旋螺距的顺序。的棒状链的存在下的切断是能够定量地再现实验观察到的超螺旋的影响的拉伸力特性，在小超螺旋制度。一个精确的解决方案的模型，使用传递矩阵技术和它的映射到一个量子力学的问题，允许提取，从实验数据，扭转刚度的值。我们还分析了扭矩和扭曲的扭曲比与超螺旋的变化，分析显示存在一个相当尖锐的交叉制度，这可能与激发plectonemic样结构。最后，我们研究了拉伸和超螺旋DNA分子的延伸波动，无论是在固定的扭矩和在固定的超螺旋角，我们比较了一些初步的实验数据的理论预测。
2000-03-21 cond-mat q-bio.BM
The synergy between protein positioning and DNA elasticity: energy minimization of protein-decorated DNA minicircles
蛋白质与DNA的结合有助于基因组的形成和包装以及特定遗传信息的表达。为了了解蛋白质的存在和DNA的变形之间的相互作用，在这样的过程中，我们开发了一种新的方法，以尽量减少弹性能量的DNA片段在介观水平。我们的方法使得有可能获得最佳途径的蛋白质修饰的DNA分子的末端碱基对的空间约束。在这项工作中，我们专注于选定的建筑蛋白质对环状DNA诱导的变形。我们报告的能量景观的DNA微环受到不同程度的扭转应力，并包含一个或两个蛋白质的功能的链长和蛋白质之间的间距。我们的研究结果揭示了双螺旋的弹性和结合蛋白引起的DNA结构扭曲之间的合作。我们发现，施加的机械应力会影响蛋白质在DNA上的位置，而蛋白质反过来又会调节机械应力，从而沿着DNA传播它们的存在。
2014-05-29 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Sequence Effects on DNA Entropic Elasticity
DNA拉伸实验通常使用蠕虫状链模型来解释;然后将模型中出现的持续长度A解释为双螺旋的弹性刚度。实际上，这种方法得到的持久长度是弯曲刚度和反映序列信息的内在弯曲效应的组合，就像在零拉伸力下一样。这一观测结果解决了这些实验中测得的A值与其他方法测得的更大的“动态持续长度”之间的差异。另一方面，扭转约束拉伸实验推导出的扭曲持续长度没有受到这样的校正。我们的计算非常简单且具有分析性;它适用于DNA和其他具有弱内在无序的聚合物。
1997-11-26 cond-mat.soft 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
Torsional Directed Walks, Entropic Elasticity, and DNA Twist Stiffness
DNA和其他生物聚合物由于其扭转刚度而不同于经典聚合物。这一属性改变了他们的构象在张力下的统计特征，从一个经典的随机行走的问题，我们称之为'扭转定向行走'。受最近对单个DNA分子的实验的启发[Strick等人，Science 271（1996）1835]中，我们用公式表示扭转定向行走问题，并在适当的力域中解析地求解它。我们的技术提供了一个直接的物理测定的微观扭转刚度C和扭转拉伸耦合D相关的DNA功能。该理论定量地拟合了现有的实验数据，作为在很宽的作用力范围内的过扭曲的函数;拟合实验数据得到数值C= 120 nm和D= 50 nm。未来的实验将完善这些值。我们还预测，弯曲起伏的有效扭转刚度减少的现象，应在未来的单分子实验测试，我们给出了它的解析形式。
1997-08-21 cond-mat.soft q-bio.BM
Structure, stability and elasticity of DNA nanotube
DNA纳米管是由DNA交叉分子组成的管状结构。我们提出了一个自下而上的方法，这些结构的建设和表征。构建了各种可能的纳米管拓扑结构，如6-螺旋，8-螺旋和具有不同序列和长度的三管。我们使用完全原子的分子动力学模拟来研究这些结构的结构、稳定性和弹性。几个纳秒长的MD模拟给出了DNA纳米管的微观细节。基于模拟数据的结构分析，我们表明，6螺旋纳米管是稳定的，并保持其管状结构，而8螺旋纳米管被压扁，以稳定自己。我们还评论了序列依赖性和突出端的影响。与相同长度和序列的DNA双螺旋分子的1000 pN的拉伸模量相比，这些结构具有约4000 pN的拉伸模量，刚性大约是其四倍。这些纳米管的拉伸模量也比拉伸模量在1500-2000 pN范围内的PX/JX交叉DNA分子的拉伸模量大三倍。计算的余辉长度在几微米的范围内，这与报道的某些类型的DNA纳米管的实验结果接近。
2014-11-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Revisiting the anomalous bending elasticity of sharply bent DNA
最近的几个实验表明，急剧弯曲的DNA具有令人惊讶的高弯曲柔性，但这种柔性的原因知之甚少。虽然柔性缺陷的激发可以解释这些结果，但在这些实验中，这种激发是否可以与DNA弯曲水平一起发生仍不清楚。有趣的是，在大多数实验中，DNA都含有预先存在的切口，但在解释实验结果时从未考虑过切口是否可能在柔性中发挥作用。在这里，使用全原子分子动力学模拟，我们表明，缺口促进DNA碱基对中断的缺口网站，这大大降低了DNA弯曲能。此外，较低的温度抑制切口依赖性碱基对破坏。在没有切口的情况下，也可以发生碱基对破坏，但需要更高水平的DNA弯曲。因此，如果DNA含有预先存在的切口，则可以抑制B型DNA内的碱基对破坏。总体而言，我们的研究结果表明，所报道的急剧弯曲的DNA的机械异常可能依赖于预先存在的切口，因此急剧弯曲的无切口DNA的内在机制仍然是一个悬而未决的问题。
2015-12-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Sufficient minimal model for DNA denaturation: Integration of harmonic scalar elasticity and bond energies
我们研究DNA变性整合弹性-所描述的高斯网络模型-与键结合能，区分不同的碱基对和堆积能。我们使用精确的计算，在模型中，任何部分变性状态的亥姆霍兹自由能，这意味着所有形成的气泡（“环”）的熵占。考虑到碱基对键去除单事件，通过在所有剩余的碱基对键上最小化该过程的自由能差来选择指定用于打开的键。尽管它非常简单，对于几个已知的DNA序列，我们的结果是符合现有的理论和实验研究。此外，我们报告沿变性途径，这允许检测稳定或亚稳定的部分变性状态，组成的“气泡”，作为本地的自由能最小值分离的障碍，自由能配置文件。我们的方法允许研究非常长的DNA链与常用的计算能力，因为我们证明了一些随机序列的范围在200-800碱基对。对于后者，我们还阐明了系统的自平均性质。众所周知的呼吸动力学的DNA的影响进行了阐述。
2016-06-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Elasticity of DNA and the effect of Dendrimer Binding
带负电荷的DNA可以被带正电荷的树枝状聚合物压缩，并且压缩程度是静电相互作用的强度和DNA的弹性之间的微妙平衡。我们报告各种弹性短双链DNA（dsDNA）和树枝状大分子结合的效果，使用完全原子分子动力学和数值模拟。在室温平衡状态下，dsDNA的轮廓长度分布P（L）和端-端距离分布P（R）近似为高斯分布，前者给出了dsDNA的拉伸模量γ_1的估计值，与文献值定量一致。dsDNA的弯曲角分布P（θ）也具有高斯形式，并且允许提取43 nm的持久长度L_p。当dsDNA被带正电的树枝状聚合物压实时，拉伸模量保持不变，但由于树枝状聚合物对dsDNA的骨架电荷中和，从端到端距离分布估计的有效弯曲刚度急剧下降。我们支持我们的观察与蠕虫状链（WLC）模型的数值解，以及使用非平衡dsDNA拉伸模拟。这些结果有助于理解dsDNA在短长度尺度下的弹性，以及当dsDNA结合到带电物体如树枝状聚合物或蛋白质时弹性如何被调制。
2013-07-24 cond-mat.soft physics.bio-ph 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
DNA elasticity from coarse-grained simulations: the effect of groove asymmetry
众所周知，DNA在足够长的长度尺度上的许多物理性质可以通过简单的聚合物模型来理解。最广泛使用的DNA弹性模型之一是可扭曲蠕虫状链（TWLC），它将双螺旋描述为具有弯曲和扭转刚度的连续弹性杆。TWLC的一个扩展，最近受到了一些关注，是Marko和Siggia的模型，他们引入了一个额外的扭曲-弯曲耦合，预计会出现从凹槽的不对称性。通过对两种可用的oxDNA（一种粗粒度的核酸模型）进行计算机模拟，我们研究了扭曲-弯曲耦合的微观起源。我们发现，这种相互作用是可以忽略不计的oxDNA版本与对称的凹槽，而它出现在oxDNA版本与不对称的凹槽。我们的分析是基于平衡变形的协方差矩阵的计算，从中获得的刚度参数。从oxDNA模拟估计的扭转-弯曲耦合系数为$G=30\pm1$ ~nm。槽的不对称性导致了一个新的扭曲长度尺度和相关的重整化扭曲刚度$κ_{\rm t} \approx 80$ ~nm，这是不同于固有的扭转刚度$C \approx 110$ ~nm。这自然解释了在过去进行的固有刚度的实验估计的大的变化。
2017-06-09 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
First-principles calculation of DNA looping in tethered particle experiments
我们使用DNA弹性的数学模型计算了由调节蛋白如Lac阻遏物（LacI）介导的DNA环形成的概率。我们的模型适用于计算在系留粒子运动（TPM）实验中直接观察到的量，它占在这样的实验中存在的所有熵力。我们的模型没有自由参数;它使用其他类型实验中获得的信息来表征DNA弹性。[...]我们展示了如何计算"循环J因子"（或等价地，循环自由能）的各种DNA结构的几何形状和LacI浓度，以及详细的概率密度函数的珠偏移。我们还展示了如何从最近的实验数据中提取相同的数量拴系粒子运动，然后比较我们的模型的预测。[...]我们的模型成功地再现了珠偏移的详细分布，包括其令人惊讶的三峰结构，没有任何拟合参数，也没有调用任何替代构象的LacI四聚体。事实上，该模型定性地再现了观察到的这些分布对系链长度的依赖性（例如，定相）和LacI浓度（滴定）。然而，对于短的DNA环（约95个碱基对），实验显示出比谐波弹性模型预测的更多的环，这与最近的其他实验结果相呼应。由于我们研究的实验是在体外进行的，这种异常高的成环不能被合理化为DNA弯曲蛋白或其他细胞机制的存在。我们还表明，这是不太可能的结果，一个假设的“开放”构象的LacI四聚体。
2008-10-13 q-bio.BM q-bio.QM
Phenomenological modeling of DNA overstretching
基于三维非线性弹性理论，建立了描述双链DNA力-伸长曲线中过度拉伸现象的唯象模型。通过使用具有多个参考构型的材料的概念，获得了用于拟合力-延伸曲线的单个公式。
2008-02-22 q-bio.BM q-bio.QM
Entropic Elasticity of Double-Strand DNA Subject to Simple Spatial Constraints
本论文的目的是研究的dsDNA分子的熵弹性，具有晶体学长度L的顺序为10至30持久长度A，当它受到空间障碍物。我们没有尝试通过求解Schodringer方程来获得单分子配分函数。我们更喜欢停留在WLC模型的离散化版本中，增加一个单体势，模拟空间约束。我们直接从离散化的玻尔兹曼公式推导出连接相对于相邻“有效单体”的配分函数的传递矩阵。我们在泛函积分中插入了足够的狄拉克δ函数，以确保单体坐标和切向量是独立变量。然后，配分函数由迭代过程给出，该迭代过程在数值上有效并且在物理上透明。作为我们的离散化方法的测试，我们已经研究了两种配置，涉及一个双链DNA分子之间的一对平行板限制。
2006-02-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
A physicist's view of DNA
核酸，如DNA和RNA，是存在于任何生命形式中的分子。它们最显著的功能是编码生物信息。那么，为什么物理学家会对这些分子感兴趣呢？正如我们将看到的，DNA是物理学家测试和探索物理定律和理论的有趣分子工具，如遍历定理，弹性理论和信息论。DNA还具有独特的材料特性，吸引了材料科学家，纳米技术专家和工程师。在这一领域的有趣的发展是基于DNA的杂交材料和DNA折纸。
2013-11-11 physics.bio-ph q-bio.BM
A fit-less approach to the elasticity of the handles in optical tweezers experiments
在生物分子的光镊实验中使用的双链DNA手柄的弹性特性通常由可扩展的蠕虫状链模型来建模。然而，将这样的模型拟合到实验数据并不是一项简单的任务，因为该函数以高度非线性的方式依赖于四个参数。因此，我们提出了一种方法，以绕过拟合过程，并获得经验的力与延伸曲线，准确地再现了手柄的弹性。
2021-11-19 physics.bio-ph q-bio.BM
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
Molecular elasticity and the geometric phase
我们提出了一种方法来解决蠕虫状链（WLC）模型扭转半柔性聚合物到任何所需的精度。我们表明，WLC自由能是一个周期函数的扭曲与周期4 π。我们开发了一个类比之间的WLC弹性和自旋半系统的几何相位。这些类比被用来预测扭转存储聚合物的弹性性能。我们以图形方式显示了单个分子对外加扭矩的弹性响应。这项研究与DNA等生物聚合物的机械性能有关。
2003-01-23 cond-mat q-bio.BM quant-ph
Inferring DNA sequences from mechanical unzipping data: the large-bandwidth case
DNA分子的互补链在被力拉伸时可以分离;解链信号与序列的碱基含量相关，但受到热和仪器噪声的影响。我们认为在这里的理想情况下，开放的事件是已知的一个非常好的时间分辨率（非常大的带宽），并研究如何可以从解压缩数据重建的序列。我们的方法依赖于使用统计贝叶斯推断和维特比解码算法。性能进行了研究，数值模拟Monte Carlo生成的数据，并分析。我们展示了如何利用同一分子的多个解压缩来提高预测的质量，并分析计算所需解压缩的数量作为带宽，序列内容，解压缩链的弹性参数的函数。
2007-04-19 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Interaction between DNA and the Hfq amyloid-like region triggers a viscoelastic response
生物分子的分子运输在生命机制中起着关键作用。然而，由于缺乏量化信息，人们对这一作用了解甚少。在这里，大肠杆菌Hfq的C-末端区域的作用和性质的报告，参与控制的DNA溶液的流动。实验方法的组合已被用来探测Hfq与DNA的相互作用，并测量复合物的流变性能。由于非共价交联的形成，形成具有温度可逆弹性模量的物理凝胶。配合物的力学响应表明它们是不均匀的软固体。我们的实验表明，Hfq的C-末端区域可能有助于基因组的机械响应。所报道的DNA-蛋白质复合物的粘弹性可能对涉及DNA或其片段的分子运输的细胞过程有影响。
2020-07-29 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
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 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
The Storm and Nelson's model for polymer stretching revisited
最近分子生物学技术的兴起使得单分子操作实验成为可能，其中分子拉伸起着主要作用。为了更好地理解实验数据，人们迫切需要一些物理和数学模型来定量地表达所观察到的分子的力学性质。在本文中，我们重新考虑了一个简单的唯象模型，再现了张力下的单链和双链DNA的行为。这个问题很容易解决，无论是在小的力的范围内，并在存在过度拉伸过渡的空腔方法，使一些属性，如弯曲刚度和弹性的DNA出现在一个非常清楚的方式。我们的理论研究结果成功地适合于实际测量和比较蒙特卡罗模拟，确认质量的方法。
2011-01-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
