On the thermodynamics of DNA in the Peyrard-Bishop-Dauxois model
本研究采用分子动力学直接方法，探究经典Peyrard-Bishop-Dauxois DNA模型的热力学量温度依赖，指出低温量子冻结的必要性，并估算了两类均相DNA链的气泡数。
2024-05-15 cond-mat.other cond-mat.stat-mech
DNA as a one-dimensional chiral material: Application to the structural transition between B form and Z form
提出了一个DNA分子手性变化的动力学模型。该模型是传统的弹性模型的扩展，它结合了碱基对的结构，并使用旋量表示的DNA配置与规范的原则。受最近报道的右手B-DNA和左手Z-DNA之间的手性跃迁的实验的启发[M. Lee，et.例如，Proc. Natl. Acad. sci. (USA)107，4985（2010）]，我们分析了具有外部施加的扭矩的线性DNA的特定情况的自由能。该模型表明，在低温下，存在一个快速的结构变化，这取决于施加在DNA上的扭矩，这将导致切换的B和Z域的大小。这可以解释在实验中观察到的DNA延伸的频繁开关。
2011-10-05 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Statistical Mechanics of Torque Induced Denaturation of DNA
本文提出了一个由温度T驱动或由外加机械力矩γ引起的DNA变性转变的统一理论。我们的模型耦合氢键打开和螺旋状分子结构的解扭。我们发现，变性对应于一个一阶相变从B-DNA到d-DNA阶段，共存区域自然参数化的超螺旋σ的程度。计算了该体系的变性自由能、扭转角与温度的关系、T、Gamma平面上的相图和Sigma、Gamma平面上的等温线，并与实验数据吻合较好。
1999-09-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio
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
Linker-mediated self-assembly of mobile DNA-coated colloids
开发为特定应用量身定制的材料的建造方法，并对建筑块的放置进行绝对控制，这是一个巨大的挑战。DNA包覆的胶体提供了实现可编程自组装的可能性，原则上，它可以在平衡状态下组装几乎任何结构，但在实验上仍然具有挑战性。在这里，我们提出了一个创新的系统连接介导的移动DNA包被的胶体（mDNAACCs），其中mDNAACCs是桥接的游离DNA连接在溶液中，其两个单链DNA尾巴可以结合特定的单链DNA受体的互补序列包被在胶体上。我们制定了一个平均场论有效地计算mDNACC之间的有效相互作用，其中DNA连接子的熵起着重要的作用。特别地，当溶液中的游离DNA接头与mDNACC上的相应受体之间的结合较强时，接头介导的胶体相互作用由取决于接头浓度的接头熵决定。
2020-05-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
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
Can a double stranded DNA be unzipped by pulling a single strand?: Phases of adsorbed DNA
我们研究了双链DNA（dsDNA）的解链，通过在单链上施加外力，而使另一条链自由。我们发现，如果外力超过一个临界值，双链DNA可以解压缩成两个单链。我们得到的相图被发现是不同的从解压缩的相图，通过拉两股在相反的方向。在DNA附近存在吸引表面的情况下，相图得到急剧修改，并显示出更丰富的惊喜，包括一个临界端点和一个三相点。
2009-06-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Multiscale QM/MM Molecular Dynamics Study on the First Steps of Guanine-Damage by Free Hydroxyl Radicals in Solution
了解自由OH自由基夺取氢对DNA碱基的损伤对于揭示辐射二次效应产生的羟基自由基的影响具有特别重要的意义。以前的研究解决了这个问题与截断的DNA碱基的从头计算量子模拟需要研究这样的电子自旋相关的过程是计算昂贵的。在这里，我们第一次采用多尺度和混合的量子力学-分子力学模拟研究在水的存在下，所有的水分子和脱氧核糖磷酸片段处理与简单的经典分子力学方案的OH自由基与鸟嘌呤-脱氧核糖-磷酸DNA分子单元的相互作用。我们的研究结果表明，水的存在强烈地改变了氢提取反应，因为OH自由基与水的氢键限制了OH自由基相对于DNA碱基（此处为鸟嘌呤）的相对取向。这导致化学途径中的角度各向异性和比先前预期的真空中相同系统的氢提取机制中的效率更低。该方法可以很容易地扩展到单链和双链DNA，而没有任何可观的计算成本，因为这些分子单元可以在经典子系统中处理，如这里已经证明的。
2012-02-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
A thermodynamic model for agglomeration of DNA-looping proteins
在本文中，我们提出了一个热力学机制的转录焦点通过联合凝聚的DNA环蛋白质和蛋白质结合结构域的DNA：蛋白质-DNA结合自由能的增益和熵损失之间的竞争，由于DNA环之间的有效吸引力。平均场近似可以通过映射到具有局部度约束和对连通分量的数量的全局约束的受限随机图系综来解析地描述。它显示了包含所有环状蛋白质的有限部分的蛋白质簇的出现。如果由于单个DNA环的熵损失足够高，则发现该跃迁是一阶的。
2008-10-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Coupling between denaturation and chain conformations in DNA: stretching, bending, torsion and finite size effects
我们进一步开发了耦合DNA中的变性和链构象的统计模型（Palmeri J，Manghi M和Destainville N 2007 Phys. Rev. Lett. 99 088103）。我们的离散螺旋蠕虫链模型明确考虑了三个弹性自由度，即聚合物的拉伸，弯曲和扭转。通过整合这些外部变量，构象熵有助于气泡成核（碱基对的打开），这揭示了DNA解链机制。由于单体长度、弯曲模量和扭转模量的值在dsDNA和ssDNA中显著不同，因此这些效应是重要的。此外，我们探讨在这种情况下，一个额外的循环熵的作用和分析有限尺寸的影响，在实验的情况下，polydA-polydT是由两个G-C链，以及自由聚合物夹紧。
2008-09-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Statistical Mechanics of DNA-Mediated Colloidal Aggregation
我们提出了一个统计力学模型的聚集在胶体系统与DNA介导的相互作用。我们用DNA的杂化自由能$ΔG$和两个依赖于模型的性质：平均DNA桥数$\left< N\right>$和有效DNA浓度$c_{eff}$，得到了两粒子结合能的一般结果.我们计算这些参数为一个特定的DNA桥接方案。所有的$n$ -聚体，包括无限的聚集体的分数，被证明是一个单一的参数直接相关的两粒子结合能的通用功能。我们明确地考虑到部分遍历性的问题所产生的缓慢的DNA结合-解结合动力学，并引入的概念的角度定位的DNA连接。通过这种方式，我们得到了DNA热力学和DNA胶体系统中的整体聚集和熔化性质之间的直接联系。该理论的结果被证明是在定量协议与最近的两个实验与微米和纳米尺寸的颗粒。PACS编号：81.16.Dn、82.20.Db、68.65.- k，87.14.Gg
2007-02-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Insights into DNA-mediated interparticle interactions from a coarse-grained model
DNA功能化粒子在设计复杂的自组装材料方面具有巨大的潜力。从DNA功能化颗粒实现晶体结构的主要障碍预计是将系统捕获在亚稳态无定形状态的动力学障碍。因此，探索颗粒组装过程的分子细节以理解潜在的机制是至关重要的。基于粗粒度模型的分子模拟可以为探索这些细节提供方便的途径。目前大多数DNA功能化颗粒的粗粒度模型忽略了DNA行为的关键化学和结构细节。因此，这些模型在研究实验现象的范围内是有限的。在本文中，我们提出了一个新的粗粒度模型的DNA功能化粒子，它结合了一些所需的功能的DNA行为。这里使用的粗粒度DNA模型提供了明确的DNA表示（在核苷酸水平上）和沃森-克里克碱基对之间的互补相互作用，这导致单链发夹和双链DNA的形成。在我们的模型中，多个互补链之间的聚集也被阻止。我们研究了两个DNA功能化颗粒之间的相互作用，作为DNA接枝密度，DNA的杂交和非杂交部分的长度和温度的函数。计算的自由能作为粒子之间的对距离的函数定性类似于DNA介导的对相互作用的实验测量。
2015-03-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Thermodynamics of RNA/DNA hybridization in high density oligonucleotide microarrays
我们分析了一系列公开可用的对照实验（拉丁方）的Affyellow高密度寡核苷酸微阵列使用一个简单的物理模型的杂交过程。我们绘制每个基因的信号强度与杂交自由能的RNA/DNA双链体在溶液中，完美匹配和不匹配的探针。两个值倾向于在单个主曲线上对齐，与朗缪尔吸附理论良好一致，前提是考虑到由于溶液中的靶-靶杂交导致的有效靶浓度的降低。我们给出了一个由于注释问题而偏离探针组1091\_at的预期化学行为的例子，即，由于设计阵列时公共数据库中存在的错误，表面结合的探针不是靶RNA序列的精确互补序列。我们表明，参数化的实验数据与RNA/DNA自由能提高了拟合的质量，并提高了拟合参数的稳定性相比，以前的研究。
2006-05-04 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph q-bio.BM
Topological interactions in DNA catenanes
利用Gauss不变量作为拓扑守恒的极小模型，研究了DNA链状结构（多链DNA环）的弹性。得到了有效弹性自由能随不同环上链段间距离$R$的变化关系。如果发现$R\gg R_{G}$（$R_{G}$是无规行走环的回转半径），则在大距离处的非谐部分作为$R^{4}$增长，而对于$R\ll R_{G}$，相互作用是强排斥的。以吸引相互作用为主导作用，导出了不同环上链段间距离的分布函数，该分布函数与DNA链烷电子显微照片的实验结果定性一致（S. D. Levene等人，J. 69，277，1995）。
1997-11-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
