Theory of force-extension curve for modular proteins and DNA hairpins
我们研究了一个描述模块化蛋白质，核酸和其他生物分子的力延伸曲线的模型，这些生物分子由几个单一的单元或模块组成。在介观水平的描述，系统的配置是由每个单元的伸长率。系统自由能包括每个单元的双阱势和它们之间的弹性近邻相互作用。最小化的自由能产生系统的平衡特性，而其动力学是由（过阻尼）朗之万方程的伸长率，其中摩擦和噪声振幅相关的波动耗散定理。我们的结果，无论是平衡和动力学的情况下，包括力或长度控制下的系统力-延伸曲线的分析和数值描述，并同意与生物分子的实际实验非常好。我们的结论也适用于其他物理系统，包括一些亚稳态单位，如存储系统或半导体超晶格。
2015-05-08 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Universal 1/f Noise in the Power Spectra of Energy Time-series in Solvated DNA Dynamics
School of Physical Sciences, Jawaharlal Nehru University（贾瓦哈拉尔·尼赫鲁大学物理科学学院）
本研究通过分子动力学模拟发现，溶剂化DNA在不同构象下的能量时间序列均呈现普适的1/f噪声（指数约0.90），且DNA拓扑与结构刚性通过调节环境耦合影响噪声特征，揭示了拓扑-环境相互作用对DNA随机行为的调控机制。
2026-09-18 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Modeling DNA beacons at the mesoscopic scale
我们报告模型计算DNA单链描述的平衡动力学和动力学的发夹形成和熔化。建模是在单基地的水平。链刚性描述在简单的聚合物模型;替代计算使用自由旋转链和离散Kratky-Porod模型进行报告。根据Peyrard-Bishop-Dauxois哈密顿量对茎形成进行建模。在一个有效的自由能景观的扩散控制的运动方面的动力学的开放和关闭。解链曲线，解链温度对环长度的依赖性，以及动力学时间尺度与从形成聚（T）环的荧光DNA信标获得的实验数据半定量一致。链刚性的变化不足以解释闭合的大活化焓和在形成聚（A）环的发夹中观察到的强环长度依赖性。单链DNA或RNA建模的影响进行了讨论。
2007-06-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Force dependent fragility in RNA hairpins
我们应用Kramers理论来研究机械力下多重键的解离，并解释了实验结果的展开/重折叠力分布的RNA发夹拉在不同的加载速率，使用激光镊子。我们确定了两个不同的动力学制度，这取决于在展开和重折叠过程中探索的力的范围。本方法扩展了两态近似的有效性范围，提供了一个理论框架来重建自由能景观和识别力诱导的结构变化的分子过渡态使用单分子拉伸实验。该方法应适用于具有多个动力学屏障的RNA发夹。
2006-06-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Effects of Eye-phase in DNA unzipping
研究了在链的内部施加力时，DNA解链过程中出现的“眼相”及其作用。这里介绍的氢键的方向性显示了力-延伸曲线的振荡，类似于在蛋白质解折叠实验中看到的“锯齿”振荡。中间体（发夹）和堆积能量的熔化配置文件的影响也进行了讨论。
2007-04-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
The effect of active fluctuations on the dynamics of particles, motors and hairpins
受最近的实验的启发，在人工细胞骨架和细胞中的粒子和聚合物的动力学，我们介绍了一个修改后的Langevin方程的粒子在一个环境中，是一个粘弹性介质，并带来了平衡的积极波动的行动所造成的分子马达。我们表明，在这样一个模型中，一个自由粒子的运动从superdiffusive到subdiffusive的交叉观察示踪粒子在一个{ \it在体外}细胞骨架或在一个细胞。我们调查的动力学的一个简单的模型的拴系头驱动蛋白1的运动的粒子限制的谐波电位。我们发现，头部靠近其结合位点的微管的概率可以提高两个因素，由于积极的力量。最后，我们研究了作为DNA发夹动力学模型的双势阱中粒子的动力学。我们发现，主动力有效地降低了两个极小值之间的势垒，并研究了这种现象对拉链/解拉链速率的影响。
2016-11-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Equilibrium properties and force-driven unfolding pathways of RNA molecules
利用Ising样模型研究了一个简单的RNA发夹和一个236个碱基的四膜虫核酶的机械解折叠。相图和自由能景观计算精确，并建议一个简单的两个状态行为的发夹和核酶的中间状态的存在。非平衡态模拟给出了核酶可能的解折叠途径，主要的解折叠途径与实验观察到的解折叠途径一致。
2009-10-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Hysteresis loop area scaling exponents in DNA unzipping by a periodic force: A Langevin dynamics simulation study
利用Langevin动力学模拟，研究了长双链DNA链在周期性外力作用下的解链迟滞现象，外力的频率为$ω$，振幅为$G$，另一端保持固定.我们发现，该地区的磁滞回线，$A_{loop}$，规模为$1/ω$在较高的频率，而它的规模为$(G-G_c)^αω^β$与指数$α=1$和$β=1.25$在低频制度。这些值与用蒙特卡罗模拟研究同聚物DNA的有向自回避行走模型[R. Kapri，Phys.Rev.E90，062719（2014）]和嵌段共聚物DNA [R. K. Yadav和R. Kapri，Phys.Rev.E103，012413（2021）]，并且不同于先前使用Langevin动力学模拟研究在短得多的DNA发夹上报告的值。
2021-08-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Unzipping DNA by a periodic force: Hysteresis loop area and its scaling
利用Monte Carlo模拟，我们研究了双链DNA的末端受到与时间相关的频率（$ω$）和振幅（$G$）的周期性力的解压缩的滞后。对于静态力，即，在$ω\to 0$中，DNA处于平衡状态，没有滞后。在增加$ω$时，滞后回线的面积最初增加，并在频率$ω^{*}(G)$处变为最大值，该频率取决于力振幅$G$。如果频率进一步增加，我们发现，对于较低的振幅的环路面积单调减少到零，但对于较高的振幅，它有一个振荡的组成部分。随后的峰的高度降低，最后在非常高的频率下环路面积变为零。峰的数量取决于DNA的长度。我们给出了一个简单的分析，以估计在循环区域中出现的最大值和最小值的频率。我们发现，在高频区的磁滞回线的面积的比例为$1/ω$，而在低频区，它的比例为$G^α ω^β$与指数$α=1$和$β= 5/4$。指数$α$和$β$的值与先前基于小发夹的滞后报道的指数不同。
2015-01-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Coupled dynamics of DNA-breathing and single-stranded DNA binding proteins
我们研究的DNA分子中的局部变性区的大小波动的蛋白质的存在下，选择性地结合到单链DNA，基于（2+1）维主方程。通过调整物理参数，我们可以驱动系统从不受干扰的气泡波动，以充分，结合蛋白质诱导变性。我们确定了DNA泡的有效自由能景观，并探讨了它的弛豫模式。
2005-06-17 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Non-specific binding of Na$^+$ and Mg$^{2+}$ to RNA determined by force spectroscopy methods
RNA双链体的稳定性强烈依赖于离子条件，并且在细胞内RNA暴露于单价和多价离子。尽管最近的进展，我们没有一般的方法来定量说明单价和多价离子对RNA稳定性的影响，和二级结构预测的热力学参数仅在1 M [Na $^+$ ]。在这里，通过机械展开和折叠的20 bp的RNA发夹使用光镊，我们研究了RNA的热力学和动力学在不同的单价和混合单价/镁$^{2+}$盐条件。我们测量的展开和折叠断裂力，并应用Kramers理论提取准确的信息发夹自由能景观在广泛的离子条件下的张力。我们获得了非特异性的修正的RNA发夹形成的自由能和测量的距离的过渡态的折叠状态的变化与力和离子强度。我们通过实验验证了紧束缚离子模型，并获得了ssRNA的持续长度值。最后，我们测试了近似规则，通过该规则，对于小分子构建体，在给定浓度下二价阳离子的非特异性结合亲和力等于在该浓度的100倍下的单价阳离子的非特异性结合亲和力。
2012-06-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Probing the mechanical properties of DNA nanostructures with metadynamics
分子动力学模拟经常被用于在DNA纳米结构的设计工作流程中提供反馈。然而，即使使用粗粒度模型，无偏模拟的分布收敛也很慢，限制了平衡结构特性的应用。鉴于对动态、可重构和可变形装置的兴趣日益增加，迫切需要能够有效量化大范围运动、构象转变和机械变形的方法。Metadaptics是一种自动偏置技术，通过平坦化自由能景观，可以快速获取分子构象分布。在这里，我们利用这种方法来采样DNA纳米结构的自由能景观，其无偏动力学是非遍历的，包括Holliday junctions和部分holliday折纸。以一个折纸柔性关节为例，我们进一步证明了元粘附学可以预测一个完整的DNA折纸装置对施加的力的机械响应，与实验结果吻合良好。我们的研究结果建立了一个有效的框架来研究DNA纳米器件中的自由能景观和力响应，这可以应用于迭代设计工作流程中的快速反馈，并通常促进模拟和实验的集成。元adaptics将是特别有用的，以指导纳米机器人，生物传感，或纳米制造应用的动态设备的设计。
2022-03-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Splitting probabilities as a test of reaction coordinate choice in single-molecule experiments
为了解释在生物分子的平衡单分子测量中观察到的动力学，实验观察通常被选择为假定的反应坐标，沿着该反应坐标，动力学行为被假定为受扩散动力学支配。在这里，我们调用分裂概率作为这样一个建议的反应坐标的适用性的测试。从动力学模型计算的分裂概率与观察到的比较提供了一个简单的测试，拒绝不良反应坐标。我们证明了这个测试的DNA发夹的力谱测量。
2011-07-13 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Dynamical modelling of molecular constructions and setups for DNA unzipping
我们提出了一个DNA在力的作用下机械解链的动力学模型。该模型包括序列依赖性景观中叉的运动、作用于珠的陷阱和分子结构的聚合物组分（解链的DNA单链和接头）。不同的设置被认为是测试模型，和模拟的结果相比，在文献中存在的聚合物被假定为处于平衡的简单的动力学模型。
2008-12-05 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Dissipation reduction and information-to-measurement conversion in DNA pulling experiments with feedback protocols
具有反馈测量的信息-能量转换是纳米级信息热力学中最有趣的方面之一。到目前为止，实验集中在反馈协议的工作提取。在这里，我们解决了新的情况下，耗散减少非平衡系统的反馈。我们进行拉实验的DNA发夹与光镊，与一般的反馈协议的基础上，包括离散时间或连续时间的反馈多个测量。虽然反馈可以减少耗散，但它是否也改善了自由能测定（信息到测量的转换）仍然没有答案。我们将热力学信息熵定义为反馈功效的自然对数，反馈协议中信息到能量和信息到测量转换的效率的定量度量。我们发现，离散和连续时间的反馈减少了耗散约kBT在自由能测定没有改善。值得注意的是，反馈策略（定义为反馈协议的相关序列）进一步减少了耗散，提高了信息到测量的效率。我们的研究强调了时间相关性的作用，以制定有效的信息到能量的转换在小系统的反馈策略。
2021-10-14 cond-mat.stat-mech
From mechanical folding trajectories to intrinsic energy landscapes of biopolymers
在单分子激光光镊（LOT）拉动实验中，蛋白质或RNA被并置在连接到光阱中的珠子的DNA手柄之间。LOT在力的作用下根据珠子之间距离的时间依赖性变化生成折叠轨迹。如何从测量的时间序列构建完整的内在折叠景观（没有手柄和珠子）是一个主要的未解决的问题。通过使用严格的理论方法-这占波动的DNA处理，旋转的光学珠，施加的张力由于有限的陷阱刚度的变化，以及环境噪声和有限的带宽的设备-我们提供了一个易于处理的方法来获得固有的自由能配置文件。我们验证的方法表明，精确计算的固有自由能分布的广义劳斯模型，它模仿核酸发夹的两个状态的行为，可以准确地提取模拟时间序列在一个LOT设置，无论刚度的手柄。接下来，我们将该方法应用于基于GCN 4亮氨酸拉链的卷曲螺旋蛋白质的粗粒度LOT分子模拟的轨迹，并获得与没有珠子和手柄的模拟定量一致的自由能景观。最后，我们提取的内在自由能景观从实验的亮氨酸拉链，这是独立的陷阱参数的LOT测量。
2013-03-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Unwinding and rewinding the nucleosome inner turn: Force dependence of the kinetic rate constants
构建了一个简单的核小体内转角的力依赖性解旋和重旋速率模型，并与最近的测量结果进行了定量比较[A. H. Mack等人，J. Mol. 423，687（2012）]。首先，一个粗粒度模型的组蛋白-DNA的自由能景观，结合了弹性自由能垒和特定的组蛋白-DNA键的开发。接下来，提出了具有多个最小值和最大值的分段线性自由能景观的跃迁速率的理论表达式。然后，模型自由能景观，近似为一个分段线性函数，和理论表达的过渡率相结合，构建一个模型的力依赖性的解旋和重绕率的核小体内转弯。模型速率与最近实验中观察到的速率的最小二乘拟合表明，该模型能够很好地描述最近实验中观察到的核小体内转的力依赖性解旋和重绕速率，除了在研究的最高力下，其中需要额外的特设项来描述数据，这可以被解释为绕过简单解旋的替代的强力核小体解体途径的指示。在较低的力的测量和模型之间的良好的协议表明，特定的组蛋白-DNA接触和弹性自由能垒起着至关重要的作用，核小体的缠绕和解旋，并量化其相对贡献。
2013-01-04 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
Dynamics of Competitive Evolution on a Smooth Landscape
我们研究了由{ \it in vitro}蛋白结合指导的竞争性DNA序列进化。这个过程的稳态动力学很好地描述了形状保持脉冲减速，并最终达到平衡。我们解释这种动力学行为的连续平均场框架内。脉冲运动的分析结果与模拟结果一致。此外，有限人口校正的平均场结果被发现是微不足道的。
2003-01-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Measurement of work in single-molecule experiments
单分子实验的一个主要目标是通过将涨落关系应用于沿着不可逆过程的重复功测量来评估平衡自由能差。我们量化的错误，是在自由能估计的Jarzynski等式的装置时，在整个系统（包括仪器）上花费的累积工作被错误地取代的工作转移到子系统组成的唯一的分子结构。我们发现，误差可能高达100%，这取决于实验的数量和数据采集设备的带宽。我们的理论估计通过数值模拟和使用光镊对DNA发夹的拉动实验得到了验证。
2009-05-26 cond-mat.stat-mech
Force-Dependent Folding Kinetics of Single Molecules with Multiple Intermediates and Pathways
大多数单分子研究从平衡跳跃实验中推导出天然态、中间态和未折叠态的动力学速率。本文应用Kramers动力学扩散模型，从非平衡拉伸实验中导出了中间态的动力学速率.从动力学速率中，我们还提取了依赖于力的动力学势垒和平衡折叠能。我们将我们的方法应用于具有多个折叠途径和中间体的DNA发夹。实验结果与理论预言相符合。此外，所提出的非平衡单分子方法允许我们表征无法从平衡跳跃实验中推导出的天然、未折叠和中间态的动力学和热力学性质。
2022-04-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Clustering Molecular Energy Landscapes by Adaptive Network Embedding
本文提出利用网络嵌入和熵敏感自适应采样对分子能量景观进行聚类，以在降维空间中揭示动力学关系，并通过LJ团簇和人类DNA序列验证框架有效性。
2024-01-19 cond-mat.stat-mech cs.LG q-bio.BM
Work Distribution for Unzipping Processes
本文提出DNA/RNA发夹解链的拉链模型，解析计算自由长度分布P(L)，并由此推导准静态线性加力过程中功分布P(W)的大偏差尾部，与数值模拟高度吻合。
2024-01-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.comp-ph
Improving free-energy estimates from unidirectional work measurements: theory and experiment
我们推导出解析表达式的偏见Jarzynski自由能估计N非平衡工作测量，为一个通用的工作分布。为了实现这一点，我们将估计量映射到随机能量模型中，以（log N）/m为参数的适当缩放限制，其中m测量工作分布的下尾宽度，然后使用不同的方法计算对该限制的有限N校正（log N）/m。我们表明，这些表达式准确地描述了广泛的一类工作分布的偏差，并利用它们建立一个改进的自由能估计单向工作测量。我们应用该方法的光镊展开/折叠实验上的DNA发夹的不同的循环大小和耗散，显示近高斯和非高斯的工作分布。
2011-08-02 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Ultrahigh molecular recognition specificity of competing DNA oligonucleotide strands in thermal equilibrium: a cooperative transition to order
分子识别的特异性是分子自组织的重要条件。一个突出的例子是生物细胞，在高度拥挤的分子环境中，无数不同的分子受体对以惊人的准确性识别它们的结合伴侣。在热平衡中，通常承认识别剂对的亲和力仅取决于两个结合分子的性质。因此，结合能差异的玻尔兹曼因子与竞争相同探针的不同靶分子之间的分子亲和力相关。在这里，我们考虑短DNA寡核苷酸单链的分子识别。我们表明，一个更好的匹配的寡核苷酸链可以战胜一个更集中的竞争对手，表现出降低亲和力，由于错配。与上面简单的图片的偏差可能达到几个数量级。在我们的实验中，给定链的有效分子亲和力仅在更好匹配的竞争者不存在时才保持升高。我们解释我们的观察结果的基础上发生的熵起源的能量障碍，如果两个竞争的寡核苷酸链同时占据同一探针。在这种情况下，相对结合亲和力不对称地降低，这导致自由能景观的表达，其代表了朗道描述的相变的形式类似物。我们的平均场描述再现了定量协议的意见。改进的分子识别的优点是除了分子系综的设计和竞争者的引入之外没有能量成本。这将是有趣的，看看机制沿着类似的线暴露在这里，有助于分子协同作用发生在生物系统。
2020-09-04 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
DNA breathing dynamics: Analytic results for distribution functions of relevant Brownian functionals
我们研究DNA呼吸动力学的建议和检查几个不同的布朗泛函与气泡寿命和反应。气泡动力学被描述为一个过阻尼的随机行走的数目破碎的碱基对。步行发生在波兰-Scheraga自由能源景观。我们提出了几个概率分布函数的呼吸过程的特点，并采用最近研究的向后福克-普朗克方法和路径分解方法作为优雅和灵活的工具来推导这些分布。特别地，对于初始尺寸$x_0$的气泡，我们推导出（i）首次通过时间$t_f$的分布$P(t_f|x_0)$，表征气泡寿命，（ii）直到首次通过时间的区域$A$的分布$P(A|x_0)$，提供关于气泡对DNA内过程的有效反应性的信息，（iii）在首次通过时间之前获得的最大气泡尺寸$M$的分布$P(M)$，和（iv）在首次通过时间之前最大气泡尺寸$M$和其出现的时间$t_m$的联合概率分布$P(M,t_m)$。这些分布进行了分析，在小的和大的气泡尺寸的限制。我们补充我们的分析预测与直接数值模拟相关的朗之万方程，并获得了很好的协议，在适当的限制。原则上，这里分析的各种量的非平凡标度行为可以通过实验来探索。
2010-12-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Riemann metric approach to optimal sampling of multidimensional free-energy landscapes
沿着反应坐标或系统参数$λ$探索自由能景观是物理学中高维模型系统（例如大分子或自旋玻璃）的许多研究的核心。在模拟中，这通常需要对构象转变或相变进行采样，但由于能量景观的粗糙度，通常难以实现有效的采样。对于玻尔兹曼分布，交叉率随自由能势垒高度呈指数下降。因此，通过沿着被调谐为使得获得平坦目标分布的$λ$施加人工偏置，可以在模拟中实现指数加速。然而，平坦分布是一个模糊的概念，除非使用适当的度量，并且通常是次优的。在这里，我们提出了一个多维黎曼度量，它考虑到了局部扩散，并重新定义均匀采样，使其在非线性坐标变换下是不变的。我们将该指标与加速权重直方图方法（一种自由能计算和采样方法）结合使用，以自适应地优化采样，以达到指标规定的目标分布。我们证明，对于复杂的问题，如DNA碱基对开放的分子动力学模拟，采样均匀根据度量，这可以计算没有显着的计算开销，提高采样效率的50- 70%。
2018-08-28 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph physics.comp-ph
