Nonequilibrium thermodynamics of DNA nanopore unzipping
使用理论和模拟，我们进行了第一个系统的表征DNA解压缩通过纳米孔易位。从部分解压缩态出发，我们发现了三种依赖于所施加的力f的动力学区域：（i）异质DNA收缩和重新压缩（f < 17pN），（ii）正常（17pN < f < 60pN）和（iii）异常（f > 60pN）漂移扩散行为。我们表明，正常的漂移扩散制度可以有效地建模为一个一维的随机过程中的倾斜周期性电位。我们使用随机过程的理论来恢复潜在的非平衡解压缩轨迹，并表明它对应于单碱基对解压缩的自由能景观。将这种一般方法应用于其他具有周期性势的单分子系统，应该会从非平衡轨迹中产生详细的自由能景观。
2022-12-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Statistical Mechanics of DNA unzipping under periodic force: Scaling behavior of hysteresis loop
基于两个相互作用的聚合物的DNA的一个简单的模型已被用来研究双链DNA受到周期性的力的解压缩。我们提出了一个动态的过渡，在不改变生理条件下，有可能通过改变施加力的频率将DNA从压缩/解压状态带到一个新的动态（滞后）状态。我们的研究表明，磁滞回线的面积增长与各向同性自旋系统的指数相同。这些指数在力谱实验中得到验证。
2013-05-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
High nucleotide skew palindromic DNA sequences function as replication origins due to their unzipping propensity
本研究通过马尔可夫链模型揭示高核苷酸偏斜的回文DNA序列因低解链动力学屏障而作为复制起点，并在多种生物中得到验证。
2024-07-18 q-bio.BM q-bio.GN q-bio.QM
Randomly forced DNA
我们研究了随机力对双链DNA解链的影响，类似于随机力作用下吸附聚合物的问题。随着随机力波动的增加，基态产生不同长度的气泡。解压缩相图示出从纯的情况下是截然不同的。
2007-02-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Free energy landscape and characteristic forces for the initiation of DNA unzipping
DNA解链，即双螺旋分离成单链，在调节许多遗传过程中至关重要。尽管已经用各种理论和实验技术研究了双链DNA的大规模分离，但解链的最初步骤的细节仍然不清楚。在这里，我们使用原子分子动力学（MD）模拟，粗粒度模拟和螺旋力学模型来研究由外力引发的DNA解链。计算的平均力分布的DNA寡聚体中的前几个末端碱基对的初始分离的潜力揭示，需要130和230 pN之间的力来破坏第一个碱基对，一个数量级的值大于那些需要破坏部分解链的DNA中的碱基对。力峰在拉开第二个碱基对的距离处有一个大约50 pN的"回声"。我们表明，启动解压缩所需的高峰来自自由能盆地，由于熵的贡献，该盆地与后续碱基对的盆地不同，并且我们强调了该峰的微观起源。我们的研究结果为单分子实验提供了一个新的探索窗口。
2015-01-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Pause Point Spectra in DNA Constant-Force Unzipping
在恒定的作用力下，双链DNA分离成两条单链已知通过一系列的停顿和跳跃进行。鉴于恒定力解压缩的实验痕迹，我们提出了一种方法，使暂停点的位置可以提取的暂停点谱的形式。一个简单的理论模型的DNA恒定力解压缩被证明产生良好的协议与实验的λ噬菌体DNA的暂停点光谱。在实验和理论的暂停点光谱中的峰的位置被发现是几乎一致的低于6000 bp。该模型只需要序列、温度和一组经验的碱基对结合能和堆积能参数，与实验的良好一致性表明暂停点主要由DNA序列决定。该模型还用于预测噬菌体PhiX174基因组的暂停点光谱。该算法提取的暂停点频谱也可能是有用的研究相关系统，表现出暂停行为，如分子马达。
2004-06-10 cond-mat.soft 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
Hysteresis and nonequilibrium work theorem for DNA unzipping
利用蒙特卡罗模拟研究了在固定力系综中双链DNA（dsDNA）在反方向拉伸时的解链和再压缩的滞后现象。该力以恒定速率从初始值$g_0$增加到位于相边界之上的某个最大值$g_m$，然后再次减小回到$g_{0}$。我们观察到在一个完整的周期的解压缩和rezipping滞后。我们得到了概率分布的工作进行了一个周期的解压缩和rezipping为各种拉速率。分布的平均值被发现是接近（差异在10%以内，除了非常快的拉动）的磁滞回线的面积。我们提取的平衡力与分离等温线通过使用重复非平衡力测量的功定理。我们的方法是能够再现的平衡和非平衡力分离等温线的自发rezipping的dsDNA。
2012-10-09 cond-mat.soft q-bio.BM
Universal Force Correlations in an RNA-DNA Unzipping Experiment
我们研究了互补RNA-DNA螺旋在外力作用下的解链，着重于力-力的相关性。而在微观层面上，这些是由序列给出的，实验测量有效的宏观相关性。后者是与序列无关的，也就是说是普适的，并且构成了无序系统的基本场论的中心对象。比较场论的预测和1-D玩具模型与实验的精确解，我们发现一个很好的协议，确认基本理论概念，通过生物启发的实验。
2020-12-17 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.BM
Measurement of the Phase Diagram of DNA Unzipping in the Temperature- Force Plane
我们通过在15 ° C至50 ° C的恒定温度下施加固定的力来分离双链λ噬菌体DNA，并测量分离两条链所需的最小力，提供了在温度-力平面中单链DNA和双链DNA之间的相边界的第一次实验测定。测量还提供了在没有力的情况下dsDNA不热变性的温度下dsDNA的自由能的信息。虽然部分相图可以用现有的模型和自由能参数来解释，但其他的偏离很大。理论和实验之间的偏差的可能原因被认为是。
2003-10-27 cond-mat.soft q-bio.BM
Pulling Pinned Polymers and Unzipping DNA
我们研究了一类显微操作实验，以拉开双链DNA（dsDNA）的两条链为例。当拉力增加到一个临界值时，发生“解链”转变。对于随机DNA序列的短程相关，我们得到了确切的结果，单体的数量和释放的比热，包括在过渡的临界行为。相关的系统包括从吸附表面拉开的无规杂聚物和在II型超导体中倾斜远离碎片柱状缺陷的涡旋线。
2000-08-02 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.bio-ph
Thermodynamic relations for DNA phase transitions
从纯热力学的角度考虑力诱导的双链DNA解链跃迁。这种分析为我们提供了一组关系，可以用来检验微观理论和实验。热力学方法是基于拉链状态下力的不可穿透性的假设。熔化和解压缩转换被认为是在同一框架下，并与现有的统计模型的结果进行比较。然后将分析扩展到可能的连续解压缩过渡。
2014-04-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Experimental test of Sinai's model in DNA unzipping
本文通过光镊对单个DNA发夹进行力学解链实验，在平衡态下测量力关联函数和粗糙度指数，验证了西奈模型及无序弹性系统泛函重整化群的理论预测。
2023-04-17 cond-mat.dis-nn q-bio.BM
Single Molecule Statistics and the Polynucleotide Unzipping Transition
我们提出了一个广泛的理论研究的双链DNA的机械解压缩下施加的力的影响。在长链聚合物的极限中，在10 pN的临界力值下存在热力学解链转变，均聚物和无规杂聚物具有不同的临界行为。我们扩展结果的无序平均行为的DNA的随机序列，以更实验上可访问的问题，解压缩一个单一的DNA分子。当所施加的力接近临界值时，双链DNA以一系列离散的、依赖于序列的步骤解开，使其能够连续地达到更深的能量最小值。因此，伸展与力的关系曲线呈现出一系列被急剧跳跃分隔开的高原的引人注目的形式。在蛋白质和折叠RNA分子的显微操作实验中，类似的定性特征应该会再次出现。尽管它们的不寻常的形式，单分子的延伸与力的曲线仍然揭示了无序平均临界行为的残余。在跃迁之上，解链叉的动力学与粒子在随机力场中扩散的动力学有关;在施加的力超过解链的临界值大约5 pN之前，预计会出现异常的、无序主导的行为。
2001-07-20 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.bio-ph
The Boltzmann factor, DNA melting, and Brownian ratchets: Topics in an introductory physics sequence for biology and premedical students
提出了三个与生物学相关的有偏随机游走的例子：（1）一个DNA解链模型，模拟为DNA解链，它提供了一种方法来说明玻尔兹曼因子在生物学和医学预科学生熟知的场所中的作用;（2）解旋酶马达蛋白在解链双链DNA中的活性，例如，在复制叉处，这是布朗棘轮的一个例子;（3）由肌动蛋白聚合产生的力，这是另一种布朗棘轮，并且确定了肌动蛋白聚合速度的力和肌动蛋白浓度依赖性。
2011-05-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
DNA Calorimetric Force Spectroscopy at Single Base Pair Resolution
本研究结合温度跃变光阱的单DNA机械解链实验与机器学习，推导出NN模型的温度相关能量参数，并测量了十个未知的热容变化参数$ΔC_p$，为准确研究各类核酸结构提供了开创性方法。
2024-04-29 physics.bio-ph q-bio.BM
Nonlinear excitations in DNA: Aperiodic models vs actual genome sequences
我们研究的序列上的传播的非线性激发在简单的模型中的DNA，我们将实际的DNA序列从人类基因组数据。我们表明，扭结传播需要超过一定阈值的力，这种现象已经发现非周期序列[F。Dom\'ınguez-Adame { \em等人}，E { \bf 52}，2183（1995）]。对于低于阈值的力，最终停止位置高度依赖于特定序列。我们的模型的结果是一致的粘滑动力学的解压缩过程中观察到的实验。我们还表明，有效的潜力，一个集体的坐标形式主义介绍了萨勒诺和Kivshar [物理。A { \bf 193}，263（1994）]是鉴定DNA中控制大片段动力学行为的关键区域的有用工具。此外，我们的研究结果导致在非周期系统中观察到的现象学的进一步见解。
2004-08-19 cond-mat.soft math-ph math.MP
Dynamic force spectroscopy of DNA hairpins. II. Irreversibility and dissipation
我们研究了在机械力作用下，单分子以两态方式协同折叠/展开的不可逆性和耗散。我们应用路径热力学推导出两态系统的平均耗散功和平均跳跃数的解析表达式。它示出了如何这些数量只依赖于两个参数，其特征在于折叠/展开动力学的分子：脆弱性和共存跳跃率。后者必须重新调整，以考虑到适当的实验设置。最后，我们在一个专门设计的DNA发夹结构中进行了光镊拉伸实验，该发夹结构显示了两态合作折叠。然后，我们使用这些实验结果来验证我们的理论预测。
2009-02-20 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Single-molecule stochastic resonance
随机共振是动力系统中的一种常见现象。它包括随机噪声辅助下系统响应的放大和优化。在这里，我们进行了第一次实验研究SR在单一的DNA发夹，表现出合作折叠/展开过渡的作用下施加的振荡机械力与光镊。通过改变力振荡的频率，我们研究了在周期性驱动的自由能势中DNA发夹的折叠/去折叠动力学。我们测量了几个SR量化器在不同条件下的实验装置，如陷阱刚度和长度的分子手柄用于单分子操作。我们发现，信噪比（SNR）的测量波动的DNA发夹的分子延伸的光谱密度是一个很好的量化的SR。SNR的频率依赖性表现出一个峰值的共振匹配条件下给出的频率值。最后，我们进行了实验，显示如何SR可能是有用的，以提高检测低信噪比的构象分子转换的短发夹。
2012-12-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Improving signal-to-noise resolution in single molecule experiments using molecular constructs with short handles
我们研究展开/折叠力动力学的DNA发夹展示两个和三个国家与新设计的短dsDNA手柄（29 bp）使用光镊。我们展示了如何更高的刚度的分子设置适度增强的信噪比（SNR）在跳跃实验相比，传统的长柄结构（约700 bp）。较短的构建体导致较高SNR的信号和较慢的折叠/解折叠动力学，从而有助于检测否则快速的结构转变。一种新的分析的弹性性能的分子设置，高带宽测量力波动沿折叠分支的基础上，揭示了最高的SNR，可以实现与短手柄是潜在的限制由显着减少的有效持久性长度和拉伸模量的短接头复合物。
2011-05-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Force Spectroscopy with Dual-Trap Optical Tweezers: Molecular Stiffness Measurements and Coupled Fluctuations Analysis
双阱光镊常用于单分子生物物理的高分辨率测量。这种测量可能会受到外部噪声源的阻碍，其中最突出的是沿着不同空间方向的波动耦合，这可能会影响任何光镊设置。在本文中，我们分析，无论是从理论和实验的角度来看，这些耦合在双阱光镊设置最常见的来源：陷阱和系绳的错位。我们给出标准来区分不同类型的错位，估计它们的定量相关性，并将它们纳入数据分析。实验数据是在一种新型的双阱光镊装置中获得的，该装置直接测量力。在错位可以忽略的情况下，我们提供了一种基于方差分析的方法来测量陷阱和系绳的刚度。这种方法可以被看作是一种有效的校准技术超出线性陷阱区域。我们的分析，然后测量的持久性长度的ds-DNA链的三个不同的长度跨越两个数量级。这种系绳的有效持久性长度被证明是减少与轮廓长度，根据以前的研究。
2013-07-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Deconvolution of dynamic mechanical networks
时间分辨的单分子生物物理实验产生的数据，除了从时间序列的直方图导出的平衡分布之外，还包含丰富的动态信息。在典型的力光谱设置中，分子通过连接器连接到读出设备，形成机械耦合的动态网络。平衡分布的反卷积，过滤掉链接器的影响，是一个简单而常见的做法。我们已经开发了一个类似的动态去卷积理论，用于提取任意复杂性和拓扑结构的网络中各个组件的动力学特性这一更具挑战性的任务。我们的方法确定了网络中给定分子的固有线性响应函数，描述了构象波动的功率谱。我们的方法的实用性证明了通过DNA手柄连接到两个光学捕获珠在恒定的拉伸力，我们通过布朗动力学模拟的蛋白质的特定情况下。蛋白质自由能景观中的每一个阱（对应于折叠、未折叠或可能的中间状态）都有其特有的平衡涨落。相关的线性响应函数是丰富的物理内容，因为它既取决于井的形状和它的扩散率-内摩擦的措施所产生的过程，如短暂的断裂和重组的蛋白质结构中的键。从自相关函数的平衡珠的波动在这个力钳设置测量，我们展示了如何实验可以准确地提取状态依赖的蛋白质扩散率使用一个简单的两步程序。
2011-07-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
