Rapid Sequencing of Individual DNA Molecules in Graphene Nanogaps
我提出了一种使用石墨烯纳米间隙读取单个DNA分子的碱基序列的技术。
2008-10-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
To understanding of the mechanisms of DNA deactivation in ion therapy of cancer cells
生物细胞核在离子束作用下介质的变化被认为是生物体内细胞功能破坏的一个可能原因。过氧化氢分子是高能离子通过细胞后出现的寿命最长的分子产物。研究了过氧化氢分子与DNA非特异性识别活性位点（双螺旋骨架的磷酸基团）形成稳定复合物的可能性，并考虑了形成稳定的DNA-过氧化物复合物。由于溶液中DNA磷酸基团的氧原子上的负电荷，还考虑了在自然条件下中和双螺旋的抗衡离子。研究了DNA磷酸基氧原子、H $_2$ O $_2$和H $_2$ O分子与Na $^{+}$的配合物。配合物的能量已被确定的基础上的静电和范德华相互作用的方法内的原子-原子势函数。对各种构型的分子络合物的稳定性进行了估计。研究发现，过氧化氢分子能与DNA的磷酸基团和抗衡离子形成稳定的复合物，其稳定性不亚于与水分子形成的复合物。结果表明，H $_2$ O $_2$-Na $^{+}$-PO $_{4}^{-}$稳定复合物的形成，可以通过观察DNA在低频拉曼光谱中的特定振动来实验检测。H $_2 $ O $_2$分子与DNA双螺旋骨架上的磷酸基团相互作用，可阻断DNA生物学功能的过程，导致细胞遗传器官失活。从而提出了高能离子作用于活细胞的新途径。
2015-06-11 physics.bio-ph
A mathematical model for DNA
最近，一些作者已经表明，DNA分子产生电磁信号，并与其他DNA分子或其他分子进行通信。事实上，DNA就像无线电波的接收器或发射器。在本文中，我们提出了一个DNA分子的数学模型，并利用它的通信来治疗癌症等疾病。在这个模型中，首先，我们使用弦论和M理论的概念，根据自由电子和束缚电子之间的相互作用计算DNA的能量。我们发现，当DNA受损时，它的能量会发生变化，并产生额外的电流。这种额外的电流导致受损DNA分子的电磁信号与正常DNA分子的电磁信号不同。受损DNA分子的电磁信号在正常DNA分子中诱导额外电流并导致其破坏。通过向正常的DNA分子发送精心制作的电磁信号，并诱导与此额外电流相反的电流，我们可以防止正常DNA的破坏。最后，我们认为男性和女性染色体中DNA的包装类型是不同的。这导致男性和女性DNA的辐射波具有相反的符号，并抵消了彼此的影响。利用这一特性，我们提出了另一种机制，通过女性或男性的类似细胞中的DNA产生的额外波来抵消男性或女性癌细胞中的DNA产生的额外波的影响，并防止疾病的进展。
2018-08-02 physics.bio-ph physics.med-ph
Deposition and Visualization of DNA Molecules on Graphene That is Obtained with the Aid of Mechanical Splitting on a Substrate with an Epoxy Sublayer
控制沉积的DNA在石墨烯膜上获得的机械分裂的石墨与环氧树脂子层的基板上的帮助下证明。使用AFM可视化DNA分子。
2018-11-07 physics.app-ph physics.bio-ph
Vertex pinning and stretching of single molecule DNA in a linear polymer solution
本研究发现中性线性聚合物溶液中高于阈值电场的轴向电场可使单分子DNA以顶点钉扎于微通道壁并反向拉伸，撤电场后逐步弛豫释放，该方法可实现高通量高质量单分子DNA成像，并提出了水化层排出促进钉扎的机制假设。
2024-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
Conductance of DNA molecules: Effects of decoherence and bonding
通过将最近开发的唯象统计模型（EPJB { \bf 68}，237（2009））拟合到实验结果来检查退相干和键合对单个双链DNA分子的线性电导的影响。DNA分子本身通过紧密结合梯形模型来描述，该模型具有从公开的从头计算获得的参数（J.Am.Chem.Soc. { \bf 127}，14894（2005））。与序列和长度依赖性实验的良好协议给出了一个提示的性质在DNA中的传导，并在同一时间提供了一个关键的测试模型。
2010-07-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Towards the Ionizing Radiation Induced Bond Dissociation Mechanism in Oxygen, Water, Guanine and DNA Fragmentation: A Density Functional Theory Simulation
生物分子的辐射损伤是放射治疗、放射生物学中普遍存在的过程，也是空间工程中的关键问题。在这项研究中，我们提出了一个精确的定量的脱氧核糖核酸（DNA）和DNA周围的分子，如氧和水在非平衡条件下使用第一性原理计算的基础上密度泛函理论（DFT）的断裂机制。我们的研究结果揭示了DNA-碱基和骨干的结构稳定性，能够承受电荷和氢提取的组合阈值，由于同时直接和间接电离过程。我们表明，氢含量的分子显着控制在辐射的存在下的稳定性。本研究提供了全面的信息的直接和间接诱导键离解和DNA损伤的影响，并介绍了一个系统的方法，在微调的输入参数所需的大规模蒙特卡罗模拟的放射生物学响应和减轻电离辐射的有害影响。
2022-01-27 physics.bio-ph
Torsional fluctuations in columnar DNA assemblies
在螺旋生物分子的柱状组装体中，方位角自由度，即围绕分子长轴的旋转，在确定组装体的结构中可能是重要的，特别是当相邻分子之间的相互作用能明确地取决于它们的相对方位角取向时。对于DNA，这导致了丰富多样的柱状组装体的中间相，每个中间相通过特定的方位角排序进行分类。在前一篇论文[A。Wynveen，D. J. Lee和A. a.科尔内舍夫Phys. J. E，16，303（2005）]，为扭转刚性分子的组装开发了统计力学理论，以确定热波动如何影响这些中间相的结构。在这里，我们通过包括分子的扭转波动来扩展这个理论，其中DNA分子可以以扭转弹性能为代价绕其长轴扭转。与以前的研究相比，我们发现，包括扭转波动进一步增加的密度，在该六方结构和预测的菱形相之间的过渡发生，并减少在菱形相的失真的水平。由于X射线衍射可以探测这种组件的2-D晶格结构，并提供有关分子之间的潜在相互作用的信息，我们还计算了关联函数的方位角排序，这是表现在X射线散射强度分布。
2005-11-01 physics.bio-ph
Effects of electrostatic screening on the conformation of single DNA molecules confined in a nanochannel
单个T4-DNA分子被限制在矩形通道中，所述矩形通道具有300 nm的深度和150-300 nm范围内的宽度，所述矩形通道浇铸在聚（二甲基硅氧烷）纳米流体芯片中。用荧光显微镜测量DNA分子的延伸，作为缓冲液的离子强度和组成以及YOYO-1染料的DNA嵌入水平的函数。数据进行了解释与缩放理论的蠕虫状聚合物在良好的溶剂中，包括约束，电荷，和自我回避的影响。结果发现，随着离子强度的降低，DNA分子的伸长可以解释为持续长度的增加。自我回避效应的延伸是温和的，由于通道横截面直径施加的小的相关长度。嵌入的染料的结果中的DNA轮廓长度的增加和DNA电荷的部分中和，但除了静电起源的影响，它没有显着的影响上的裸弯曲刚度。在二价阳离子的存在下，观察到DNA分子收缩，但它们不会塌陷成缩合结构。有人提出，这种收缩的结果，从二价counterweight介导的DNA分子的片段之间的吸引力。
2008-05-06 physics.bio-ph physics.chem-ph
Biophysical characterization of DNA origami nanostructures reveals inaccessibility to intercalation binding sites
药物分子嵌入通过自组装折纸形成的合成DNA纳米结构中已被假定为用于靶向药物递送的有价值的未来方法。这是由于合成DNA纳米结构的优异的生物相容性，以及灵活的可编程性的高潜力，包括容易的药物释放到靶细胞中或附近。这种有利的性质可以使得每个纳米结构载体能够高初始负载和有效释放可预测数量的药物分子，这对于安全和有效的药物剂量的有效递送以最小化远离靶细胞的非特异性释放是重要的。然而，基本的问题仍然是如何嵌入介导的加载取决于DNA载体结构。在这里，我们使用染料YOYO-1和吖啶橙与紧密堆积的2D DNA折纸瓦的相互作用作为一个简单的模型系统来研究嵌入介导的负载。我们采用了多种生物物理技术，包括单分子荧光显微镜，原子力显微镜，凝胶电泳和可控损伤，使用低温等离子体对合成DNA折纸样品。我们的研究结果表明，并非所有潜在的DNA结合位点都可用于染料嵌入，这对未来设计用于靶向药物递送的DNA纳米结构具有影响。
2019-11-16 physics.bio-ph
Studying DNA translocation in nanocapillaries using single molecule fluorescence
我们演示了使用离子电流检测和荧光成像同时测量DNA易位到玻璃纳米孔中。我们验证了单个DNA分子通过纳米孔和伴随的特征离子电流阻断之间的对应关系。通过跟踪纳米毛细管中垂直于光轴的单个DNA分子的运动并使用模型，我们可以提取在高电场下的几何形状中的DNA的有效迁移率常数。
2013-01-12 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
A Single-Molecule Hershey-Chase Experiment
自从Hershey和Chase在1952年利用噬菌体DNA建立了DNA作为遗传信息载体以来，噬菌体DNA易位的精确机制一直是个谜。虽然批量测量已经为噬菌体感染期间的体内DNA易位设定了时间尺度，但是仅在体外进行了单个噬菌体的DNA排出的测量。在这里，我们提出了直接可视化的单个噬菌体感染个别大肠杆菌细胞。对于λ噬菌体，我们建立了大约5分钟的平均喷射时间，具有显著的细胞间变异性，包括暂停事件。相比之下，相应的体外单分子喷射仅需10秒即可完成，并且不表现出显著的可变性。我们的数据显示，两个不同的基因组长度的弹射速度崩溃到一个单一的曲线。这表明体内排出受排出的DNA的量控制，与体外DNA排出相反，体外DNA排出受留在衣壳内的DNA的量控制。该分析提供了反对纯粹基于链内排斥的机制的证据，并表明细胞内部过程占主导地位。这提供了噬菌体感染的早期阶段的图片，并揭示了聚合物易位的问题。
2012-06-29 physics.bio-ph
Ashkin-Teller formalism for elastic response of DNA molecule to external force and torque
本文提出了一个描述DNA分子对外力和扭矩的弹性响应的类Ashkin-Teller模型。基堆相互作用的描述是一个简单而统一的方式。我们得到了dsDNA的相图，特别是由拉伸和扭曲引起的从B态到S态的转变。ssDNA的弹性响应也以统一的形式呈现。表明了dsDNA分子结构与弹性响应的密切关系。计算的dsDNA分子的折叠角为$59.2^o$。
2008-01-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Target search on a dynamic DNA molecule
我们研究了一个适用于体外实验的具有显式DNA动力学的蛋白质-DNA靶标搜索模型。我们表明，DNA动力学发挥了至关重要的作用，蛋白质的有效性之间的“跳跃”的网站远离沿DNA轮廓，但关闭在3D空间。一个强结合的蛋白质，搜索一维滑动和跳跃单独，探索搜索空间冗余少时，DNA动力学是快速的蛋白质跳跃的时间尺度比在相反的“冻结DNA”的限制。我们使用模拟和标度理论来描述这些限制之间的交叉。我们还合理化的缓慢探索在冻结的限制作为一个微妙的相互作用之间的长跳跃和长捕获时间的蛋白质在“岛屿”内的随机DNA配置在解决方案。
2011-09-14 physics.bio-ph q-bio.BM
Force spectroscopy on DNA by FM-AFM
我们提出了成像和力谱测量的DNA分子吸附在功能化的云母。利用超高真空非接触式原子力显微镜（NC-AFM），测量了探针与DNA相互作用的频率偏移（Δf）-分离（z）曲线，定量测量了探针与DNA相互作用的力和能量。类似地，在恒定频移模式下收集吸附的DNA分子的地形图像。高分辨率力测量证实了基底和DNA之间的成像对比度差异。沿DNA分子测量的力曲线可以分为两类，在最小相互作用力和能量方面显示出显着差异，表明NC-AFM可以沿DNA分子提供化学对比。
2007-12-10 physics.bio-ph physics.gen-ph
Effects of the size and concentration of depleting agents on the stabilization of the double-helix structure and DNA condensation: a single molecule force spectroscopy study
本研究利用单分子力谱技术，揭示了耗竭剂的尺寸和浓度对DNA凝聚及双螺旋结构稳定化的影响，发现DNA凝聚阈值浓度、熔融平台力值及平均长度均强烈依赖于耗竭剂尺寸，有助于理解拥挤细胞环境中大分子对DNA相关功能的作用。
2023-10-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Transition on the entropic elasticity of DNA induced by intercalating molecules
我们利用光镊对DNA分子与药物柔红霉素和溴化乙锭相互作用时的拉伸实验进行了研究。这些实验是在从零到2 pN的低力状态下进行的。我们的研究结果表明，DNA-药物复合物的持续长度增加强烈的药物浓度增加到某个临界值。在此临界值以上，持续长度突然减小，并在较大的药物浓度下几乎保持不变。分子的轮廓长度随药物浓度的增加而单调增加并达到饱和。测得的插入剂的持久性长度过渡的临界浓度与报道的DNA-药物复合物的螺旋-卷曲过渡的值一致，从沉降实验中获得。
2007-04-18 physics.bio-ph physics.chem-ph
Recoiling DNA Molecule: Simulation & Experiment
单分子DNA实验通常从力与延伸测量产生数据，所述测量涉及将微球拴系到单个DNA分子的一端，而另一端连接到基底。我们表明，单DNA分子的持久性长度也可以测量的基础上，这些DNA-微球复合物的反冲动力学，如果适当的修正是在基板附近的微球的摩擦系数。计算机模拟的后坐力曲线，从相应的朗之万方程产生的，和实验后坐力之间的比较被用来确保数据分析的有效性。
2004-11-29 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio
Mechanical Acceleration of Capture and Detection Rate of DNA Molecules by Motorizing Bio-Opto-Plasmonic Microsensors
微量脱氧核糖核酸（DNA）分子的高效捕获和检测是一系列现代基因技术的关键，这些技术广泛应用于医学、法医和国防应用，包括DNA提取、富集和分离。在这项工作中，我们提出了一个合理的机制，大大加快捕获和检测效率的DNA分子，积极机动化设计的拉曼微传感器。在以1200 rpm旋转的微传感器上已经实现了至少4倍的增强。由于光等离子体增强所提供的超灵敏度，该过程被动态地和原位地从基于生物二氧化硅的微传感器监测。系统地研究了其基本工作机理，认为是机械运动引起的能斯特扩散层减薄效应。该研究开创了一种新的可靠方法，可以显著提高生物分子的捕获和检测效率，这将对生物传感，DNA技术和微流控全分析系统产生深远的影响。
2018-11-15 physics.bio-ph physics.chem-ph
Single-molecule imaging of DNA gyrase activity in living Escherichia coli
细菌DNA促旋酶将负超螺旋引入染色体DNA，并松弛通过复制和瞬时转录引入的正超螺旋。这些正超螺旋的去除对于复制叉进展和两个双链DNA链的整体解链以及持续的转录是必不可少的。为了解决促旋酶如何应对这些拓扑挑战，我们在活大肠杆菌细胞中使用了高速单分子荧光成像。我们证明，在任何时候，至少有300个促旋酶分子稳定地结合到染色体上，每个复制叉附近富集了约12种酶。捕获的反应中间体与环丙沙星显示进行催化配合物。2秒的停留时间被观察到的分散的促旋酶分子，我们建议保持稳定状态的负超螺旋的染色体水平。相比之下，复制体近端分子的停留时间约为8秒，这与这些在进行中的复制体前面催化进行性正超螺旋松弛一致。
2018-11-02 physics.bio-ph q-bio.BM
Single-Molecule Structure and Topology of Kinetoplast DNA Networks
动基体DNA（Kinetoplast DNA，kDNA）是一种二维的奥林匹克环状网络，由2.5 kb长的DNA微环相互连接而成，存在于某些被称为锥虫的寄生虫中。了解这种结构的自组装和复制不仅是生物学中的重大开放问题，而且还可以为合成拓扑材料的设计提供信息。在这里，我们报告的第一个高分辨率，单分子研究的kDNA网络拓扑结构，使用原子力显微镜和操纵分子动力学模拟。我们绘制了网络中的DNA密度以及微环的连接数和价态的分布。我们还研究了围绕网络的DNA枢纽，并表明它们会引起类似于2D弹性热片的屈曲过渡。有趣的是，我们观察到一个广泛的分布的密度和价的微环，表明异质网络结构和不同的kDNA结构的个性化。我们的研究结果解释了该领域的突出问题，并提供了对独特拓扑材料性质的单分子见解。
2022-09-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
Estimation of Nonlinear Three-dimensional Constitutive Law for DNA Molecules
DNA的长尺度结构变形在包括基因表达在内的许多生物过程中起着核心作用。弹性杆模型，它使用连续近似，已成为一个可行的工具来模拟DNA分子的变形。然而，弹性杆模型预测是非常敏感的本构律（材料性能）的分子，这反过来，根据其碱基对序列沿分子长度变化。从实验数据和可行的分子动力学模拟中识别非线性序列相关的本构律仍然是一个重大的挑战。在本文中，我们开发的技术，使用弹性杆模型方程结合有限的实验测量或高保真分子动力学模拟数据来估计DNA分子的非线性本构关系。我们首先铸造的弹性杆模型方程的状态空间形式和表达的未知本构关系的影响作为一个未知的输入系统。然后，我们开发了一个两步的技术来估计未知的本构关系。我们讨论了各种概括，并通过模拟研究这种技术的鲁棒性。
2010-02-04 physics.bio-ph physics.comp-ph
Maxwell viscoelastic dynamics of the DNA in the THz range
DNA声子模的衰减是由于DNA分子吸附的水分子与本体溶剂交换的结果。利用麦克斯韦的弛豫机制和DNA的简单晶格模型，我们表明，当声子频率大于水分子的逆停留时间时，衰减趋于恒定值。我们得出的结论是，在太赫兹范围内的衰减可以足够小，允许声子模式的传播。
2011-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
Superresolution imaging of single DNA molecules using stochastic photoblinking of minor groove and intercalating dyes
作为从DNA产生超分辨率结构信息的原理证明，我们应用了一种利用光闪烁的定位显微镜方法，使用定制的单分子荧光显微镜，将嵌入染料YOYO-1与小沟结合染料SYTO-13进行比较。我们使用全长~49 kbp λ DNA构建体，其在任一末端具有寡核苷酸插入物，允许地高辛和生物素在相对末端缀合，以分别拴系到玻璃盖玻片表面和顺磁性微球。我们观察到随机DNA结合的染料光活性与染料光闪烁一致，而不是结合/未结合的事件，证明通过离散模拟和连续动力学分析。我们分析了染料photoblinking图像的固定化DNA分子使用超分辨率重建软件从两个现有的软件包，rainSTORM和QuickPALM，并与我们自己的新的家庭编写的软件ADEMS代码的结果进行比较。ADEMS代码在视频速率采样下分别为YOYO-1和SYTO-13生成了30-40 nm和60-70 nm的横向定位精度值，类似于rainSTORM，比rainSTORM和QuickPALM算法运行得更慢，但在生成自动质心分布和聚类分析方面具有与两者互补的能力。我们的成像系统使我们能够实时观察单个DNA分子的动态拓扑变化，例如快速分子捕捉事件。这将有助于可视化的荧光标记的DNA分子共轭的磁珠在未来的实验中，涉及新开发的磁光镊结合超分辨率显微镜。
2015-04-14 physics.bio-ph q-bio.BM
Facilitation of DNA loop formation by protein-DNA non-specific interactions
复杂的DNA拓扑结构，包括聚合物环，经常被观察到在生物过程中，当蛋白质分子同时结合到DNA上的几个遥远的位点。然而，这些系统的形成的分子机制仍然没有很好地理解。现有的理论研究仅关注蛋白质和DNA分子在靶序列处的特异性相互作用。然而，初级蛋白质-DNA相互作用的静电起源表明，蛋白质与所有DNA片段的相互作用应予以考虑。在这里，我们从理论上研究蛋白质和DNA分子之间的非特异性相互作用对环形成动力学的作用。我们的方法是基于分析一个离散状态的随机模型，通过首次通过概率的方法辅以蒙特卡洛计算机模拟。据发现，取决于蛋白质的滑动长度在非特异性结合事件的DNA环形成的三个不同的动态制度可能会被观察到。此外，环形成时间可以通过改变蛋白质滑动长度、DNA分子的大小和特定靶序列在DNA上的位置来优化。我们的研究结果表明，非特异性蛋白质-DNA相互作用的DNA环形成的动力学的重要性。还提出了几个定量的预测，可以通过实验测试。
2019-01-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
Folding and unfolding of a triple-branch DNA molecule with four conformational states
单分子实验提供了对生物过程的新的见解，迄今为止还无法通过在散装系统上进行测量来获得。我们报告的动力学研究的三分支DNA分子与四个构象状态的光镊和理论模型的拉动实验。在折叠和展开的轨迹中观察到与构象状态之间的不同转变相关的三个不同的力撕裂。通过将跃迁速率理论应用于分子的自由能模型，计算了不同跃迁的首次破裂力的概率分布。与实验结果的理论预测取得了良好的一致性。此外，由于我们对分子的特定设计，我们发现了一种有用的方法，通过从测得的力跃值估计开放碱基对的数量来识别永久磨损的分子。
2011-06-10 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
DNA Translocation through Graphene Nanopores
纳米孔-可以传输离子和分子的纳米尺寸的孔-是用于基因组筛选，特别是DNA测序的非常有前途的装置。然而，固态孔和生物孔都有缺点，即构成孔的通道很长，即DNA分子中两个碱基之间距离的10-100倍（对于单链DNA为0.5nm）。在这里，我们证明了有可能实现和使用石墨烯单层中制造的纳米孔用于单分子DNA易位。通过将石墨烯薄片放置在氮化硅膜中的微米尺寸孔上并使用电子束在石墨烯中钻出纳米尺寸孔来获得孔。当单个DNA分子通过孔移位时，在通过纳米孔的离子电流中观察到特征性的暂时电导变化，为未来的基因组筛选奠定了基础。
2010-05-26 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Controlling the size and adhesion of DNA droplets using surface-active DNA molecules
本研究利用可结合DNA纳米星的长DNA作为表面活性剂，通过其刷状结构产生的分离压实现了DNA液滴尺寸与粘附性的调控，为生物分子液滴的基础研究与应用提供了新方法。
2023-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Interaction of hydrogen peroxide molecules with non-specific DNA recognition sites
离子束治疗是癌症治疗中最先进的方法之一。水辐解过程的研究表明，在电离辐射作用下，生物细胞介质中存在的最长寿的物种是过氧化氢（H $_2$ O $_2$）分子。但H $_2$ O $_2$分子在离子束治疗中癌细胞DNA失活中的作用尚未确定。本文研究了过氧化氢和水分子与非特异性DNA识别位点的原子团（磷酸基PO $_4$）的竞争作用。用分子力学和量子化学方法计算了配合物的相互作用能和优化的空间构型。结果表明，H $_2$ O $_2$分子可以与PO $_4$基团（有或没有钠抗衡离子）形成复合物，该复合物比与水分子形成的相同复合物在能量上更稳定。这种复合物的形成可以阻断癌细胞中的遗传信息传递过程，并且可以是离子束疗法治疗期间的重要因素。
2020-12-21 physics.bio-ph physics.chem-ph
Single-molecule stretching experiments of flexible (wormlike) chain molecules in different ensembles: Theory and a potential application of finite chain length effects to nick-counting in DNA
我们提出了一种形式主义推导力的延伸和延伸力的关系，柔性链分子的径向分布函数的解析表达式，这提供了洞察控制的渐近行为和有限的链长校正的因素。特别是，我们应用这种形式主义，我们以前开发的插值公式的蠕虫状链端到端的距离分布。由此产生的表达式的渐近极限的无限链长是类似的质量的数值评估Marko的和Siggia的变分理论和更精确的插值公式。数值数据的比较表明，我们的有限链长修正的解析表达式是类似的质量。作为我们的研究结果的应用，我们讨论了推断的可能性，在单分子拉伸实验中的双链DNA分子中的切口的数量的变化，从伴随的有效链长的变化。
2020-09-07 cond-mat.soft physics.bio-ph
A Numerical Study of Three-Armed DNA Hydrogel Structures
我们提出了一个由三价Y形DNA分子组成的DNA水凝胶的数值分析。构建块从互补的单链DNA片段完全可逆地自组装。我们比较熔化曲线从两个模拟与oxDNA 2模型和实验，并找到很好的协议。当在设计中做出几个改变时，研究Y-DNA分子的形态。向Y-DNA分子的中心核心区域添加惰性核苷酸对其整体几何形状的影响非常小，而粘性末端中的回文序列（单个Y-DNA分子通过其杂交）对其相对扭曲和弯曲角度具有深远的影响。
2019-04-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
A Design of an Autonomous Molecule Loading/Transporting/Unloading System Using DNA Hybridization and Biomolecular Linear Motors
本文介绍了一种分子通信中分子传播系统的设计。分子通信是一种新的通信模式，其中生物和人工创建的纳米机器使用分子在短距离内进行通信。分子通信中的分子传播系统定向地将分子从发送器传输到接收器。在本文所描述的设计中，蛋白质细丝沿着预先配置的微光刻轨道在固定的马达蛋白上滑动，滑动的蛋白质细丝携带并将分子从发送者运送到接收者。在设计中，DNA杂交用于在发送器和接收器处将分子装载到载体上和从载体上卸载分子。在设计中，装载/运输/卸载过程是自主的，不需要外部控制。
2007-08-14 physics.bio-ph q-bio.MN
Fine-tuning the DNA conductance by intercalation of drug molecules
在这封信中，我们研究了小配体嵌入DNA分子的结构-输运性质的关系，使用多尺度建模方法，其中广泛的从头计算进行了许多MD模拟配置的dsDNA和dsDNA插入两个不同的嵌入剂，乙锭和道诺霉素。DNA电导被发现增加了一个数量级后，药物嵌入由于当地解旋的DNA碱基对相邻的嵌入位点，导致修改的状态密度在近费米能区的配体-DNA复合物。我们的研究表明，嵌入剂可用于增强/调节DNA电导，这为其在纳米电子学中的潜在应用开辟了新的可能性。
2020-12-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Single molecule study of the DNA denaturation phase transition in the force-torsion space
我们使用“磁镊”技术来揭示DNA在力-扭转空间中的结构转变。特别是，我们专注于对应于负超螺旋的区域。这些区域的特征在于形成所谓的变性泡，其在DNA的复制和转录中具有重要作用。我们实验映射的力扭转空间的变性发生的区域。我们观察到DNA延伸的大波动发生在该区域的边界之一，即，当变性气泡和原丝体的形成竞争时。为了描述实验，我们引入了一个适当的扩展的经典模型。该模型正确地描述了变性区域的位置，过渡边界，和DNA延伸波动的测量值。
2012-03-28 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Growth of immobilized DNA by polymerase: bridging nanoelectrodes with individual dsDNA molecules
我们提出了一种方法，用于控制连接的金电极与双链DNA分子（本地芯片上），通过利用聚合酶延长单链DNA引物连接到电极。巯基修饰的寡核苷酸通过介电电泳捕获被定向并固定到纳米级电极上，并在模拟PCR的过程中延伸，最终形成桥接电极之间间隙的完整dsDNA分子。该技术为自下而上的构建、检测和传感应用以及分子电子学提供了机会。
2011-08-12 cond-mat.other cond-mat.soft physics.bio-ph
Direct measure of DNA bending by quantum magnetic imaging of a nano-mechanical torque-balance
本文提出利用金刚石量子缺陷磁成像与铁磁纳米颗粒构成的纳米机械扭矩平衡，直接检测单个 DNA 分子的弯曲-扭矩响应，并验证了构型差异定性识别与弯曲响应定量测量。
2024-02-28 physics.bio-ph quant-ph
Probing DNA interactions with proteins using a single-molecule toolbox: inside the cell, in a test tube, and in a computer
DNA相互作用蛋白具有多种作用过程，许多作为分子机器进行动态亚稳态转变以实现其生物学功能。为了充分理解这种分子异质性，DNA和与其结合的蛋白质必须在其天然体内环境中以单分子水平理想地被询问，以时间分辨的方式快速地对跨越自由能景观的分子跃迁进行采样。在过去的十年中，在利用物理科学的尖端工具来解决具有挑战性的生物学问题方面取得了进展，这些问题涉及与DNA结合的几种不同蛋白质的功能和作用模式。这些生理学相关的测定在技术上具有挑战性，但可以通过强大且通常更易于处理的体外实验来补充，这些实验赋予化学环境的优势，具有增强的分子特征和过渡事件的单噪声检测。在这里，我们讨论了一系列的技术，我们已经开发出监测DNA-蛋白质相互作用在体内，体外和计算机。这些包括定制的单分子荧光显微镜技术，以阐明细菌复制体的结构和动力学以及细菌染色体的结构维持，以及新的计算工具，从活细胞中提取单分子特征，以监测活细胞中的化学计量，空间定位和流动性。我们还讨论了我们实验室在体外的最新进展，补充了这些体内研究，这些研究结合了光学和磁性镊子，在一种新的超分辨率荧光显微镜中操纵和成像单分子DNA，有和没有结合蛋白质。
2015-04-14 physics.bio-ph q-bio.BM
An All-Electric Single-Molecule Hybridisation Detector for short DNA Fragments
结合DNA纳米技术和纳米移液管中的高带宽单分子检测，我们展示了一种用于短DNA序列（< 100 nt）的全电无标记杂交传感器。已知这种短片段作为循环无细胞DNA存在于各种体液中，例如血浆和唾液，并且已经被鉴定为癌症和传染病的疾病标志物。为此，我们使用来自结核分枝杆菌中RV 1910 c基因的88-mer靶标作为模型系统，该靶标与结核病中的抗生素（异烟肼）抗性相关。在结合到连接到长载体DNA的短探针时，我们表明纳米移液管中的电阻脉冲感测能够以统计学上稳健的方式识别相当细微的结构差异，例如探针的杂交状态。随着对多路复用和高通量分析的巨大潜力，我们的研究指向一种新的单分子DNA检测技术，该技术快速，易于使用，并与护理点环境兼容。
2018-08-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Blocking of DNA specific recognition sites by hydrogen peroxide molecules in the process of ion beam therapy of cancer cells
在离子束治疗方法中照射癌细胞后，细胞培养基中过氧化氢的浓度显著增加。但过氧化氢分子在癌症治疗中的作用尚未确定。我们假设过氧化物分子与DNA原子团的相互作用可以阻断癌细胞的遗传信息并导致其中和。为了了解细胞中DNA失活的可能性，在本研究中，考虑了过氧化氢分子与DNA特异性识别位点（核酸碱基）形成复合物。采用原子-原子势函数方法和量子化学方法，基于密度泛函理论，研究了过氧化物和水分子与碱基配合物的空间构型和能量最小值.确定了过氧化氢分子与核酸碱基相互作用的最可能位置，并显示了阻断遗传信息传递过程的可能性。所获得的数据使我们能够制定一个新的机制的离子照射作用于活细胞，这可能是有用的癌症治疗。
2018-11-27 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Single molecule narrowfield microscopy of protein-DNA binding dynamics in glucose signal transduction of live yeast cells
单分子窄视野显微镜是一种多功能的工具，可以研究活细胞中各种蛋白质的动力学，并已广泛用于细菌。在这里，我们描述了这些方法如何可以扩展到更大的真核，酵母细胞，其中包含亚细胞区室。我们描述了如何获得单分子显微镜数据，但也如何分析这些数据，以跟踪和获得扩散在细胞中的分子复合物的化学计量。我们选择葡萄糖介导的活酵母细胞的信号转导作为系统来证明这些单分子技术，因为转录调控基本上是单分子问题-结合基因组中单个结合位点的单个阻遏蛋白可以显著改变整个细胞和群体水平的行为。
2016-05-25 physics.bio-ph q-bio.SC
Infrared nanospectroscopic mapping of DNA molecules on mica surface
在过去的二十年里，由于纳米尺度光谱技术在单分子结构检测方面的巨大潜力，以及解决异质生物系统（如蛋白质-DNA复合物）中的未决问题，人们做出了重大努力来发展纳米尺度光谱技术。应用AFM-IR技术已经成为一个强大的杠杆，获得同时吸收光谱与纳米空间分辨率的研究蛋白质，然而，IR-AFM调查的DNA分子的表面，作为一个基准的核蛋白复合物的纳米表征，仍然是难以捉摸的。在此，我们展示了基于亚精胺和Ni 2+预处理的云母表面上的两种不同的DNA沉积协议的IR-AFM映射模式与相应的吸收光谱的获取方法学途径。通过一系列的红外原子力显微镜吸收图和相应的红外光谱，证明了云母上明显形成的DNA形态的纳米级红外吸收。因此，我们的研究结果表明，红外原子力显微镜纳米光谱的灵敏度与开放的潜力，可用于进一步调查的核蛋白复合物的核酸研究。
2022-01-28 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph q-bio.BM
Anomalous DNA hybridisation kinetics on gold nanorods revealed via a dual single-molecule imaging and optoplasmonic sensing platform
本研究开发了首个集成光等离子传感与DNA-PAINT检测的双单分子成像平台，揭示了金纳米棒上DNA杂交结合速率随时间下降的异常动力学现象，并指出其源于不可逆杂交事件的积累与稳定化机制。
2022-10-27 physics.bio-ph physics.optics
Quantitative analysis of reptation of partially extended DNA in sub-30 nm nanoslits
我们观察到单个DNA分子在高度低于30 nm的熔融石英纳米缝中的蠕动。利用取向相关和横向涨落分析定量地表征了蠕动行为和约束效应。我们表明，在强准二维限制和与纳米缝中的表面钝化聚乙烯吡咯烷酮（PVP）分子的相互作用下，紧张的聚合物会出现管状聚合物运动，而蚀刻诱导的器件表面粗糙度，芯片键合材料和DNA嵌入染料表面相互作用则起次要作用。这些发现具有强烈的影响，在纳米流体系统的表面改性的效果与单分子DNA分析的潜在应用。
2015-02-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Quantum effects and magnetism in the spatially distributed DNA molecules
综述了简单和过渡金属离子（Gd，La，Cu，Zn，Au）掺杂DNA结构的电子和磁性。一维和二维系统被认为是。特别注意的是钆和铜掺杂的DNA系统，其不寻常的磁性被治疗。讨论了生物系统中的经典和量子输运（包括复制和转录过程中遗传信息的转移）和电子定位问题。
2017-09-02 cond-mat.soft cond-mat.str-el physics.bio-ph
DNA Dynamics in Dual Nanopore Tug-of-War
本文利用166 kbp T4-DNA模型系统研究双纳米孔反馈偏压下的DNA拔河动力学，揭示长分子不对称捕获及自由端逃逸机制。
2025-08-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
Localization and delocalization of charges injected in DNA
通过电荷注入和电力显微镜实验研究了DNA分子的电学性质。在注射之前，DNA分子表现出弱正电荷状态。我们探测DNA的电行为，通过测量的本地化或离域字符的DNA电荷状态注入过量的电荷。我们表明，注入的电荷不离域的过度拉伸的DNA制备的后退弯月面技术，而亚精胺在沉积过程中的adjunction导致松弛的DNA分子表现出电荷离域超过微米。电荷定位/离域和沉积技术之间的相互作用可以解释，从绝缘到导电的运输行为已被报道的DNA沉积在表面上。
2004-09-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph
The probability of double-strand breaks in giant DNA decreases markedly as the DNA concentration increases
DNA双链断裂（DSB）是所有生物的严重损伤来源，因此已有许多体内和体外DSB的定量研究。尽管如此，导致其产生的过程尚未得到明确的理解，也没有既定的理论可以解释其产生的统计数据，特别是每单位Gy每碱基对的DSB数量，这里用P1表示，这是评估DSB构成的风险程度的最重要参数。在这里，使用单分子观察方法与巨大的DNA分子（166 kbp），我们评估的数量DSB所造成的γ射线照射。我们发现，P1是几乎成反比的DNA浓度高于一定的阈值DNA浓度。一个简单的模型，占P1的显着下降表明，它是必要的，考虑到巨大的DNA分子作为半柔性聚合物的特性来解释DSB的内在机制。
2012-05-08 physics.bio-ph q-bio.BM
Single molecule study of DNA collision with elliptical nanoposts conveyed by hydrodynamics
微柱或纳米柱的周期性阵列构成具有优异性质的固态基质，用于DNA尺寸分离。纳米纤维技术提供了许多解决方案来定制障碍物阵列的几何形状，但大多数研究都是用六边形晶格排列的圆柱体进行的。在这份报告中，我们研究了单DNA碰撞的动力学椭圆纳米柱使用流体动力学驱动。我们的数据表明，不对称的障碍物脱钩动力学的影响很小，从而证实了最近的预测布朗动力学模拟。此外，我们表明，分离动力学正确预测的电泳模型，并提出这种一致性是与限制在狭缝状通道。我们最后得出结论，椭圆柱有望略微提高分离装置的性能。
2014-09-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Angstrom-resolution single-molecule fluorescence resonance energy transfer reveals mechanisms of DNA helicases
单分子FRET被广泛用于研究解旋酶，通过检测荧光供体和锚定到分叉DNA双链体的突出端的受体之间的距离变化。然而，它缺乏单碱基对（1-bp）的分辨率所需的揭示步进动力学解旋，因为FRET信号通常是模糊的热波动的突出。我们设计了一个纳米张紧器，其中一个短的DNA被弯曲，以施加一个力在突出，就像在光学/磁性镊子。该策略将FRET的分辨率提高到0.5 bp，足以揭示酵母Pif 1和大肠杆菌DNA解旋的差异。coli RecQ的解旋行为不能用目前实践的方法区分。我们发现，Pif 1表现出1 bp步进动力学，而RecQ一次断裂1 bp，但会询问新生核苷酸并随机释放它们。高分辨率的数据使我们能够提出一个三参数模型来定量解释属于两个超家族的两个解旋酶的明显不同的解旋行为。
2017-04-05 physics.bio-ph q-bio.BM
Single-molecule derivation of salt dependent base-pair free energies in DNA
准确了解核酸的热力学性质对于预测其结构和稳定性至关重要。到目前为止，大多数DNA碱基对自由能的测量是在热变性实验中获得的，这取决于几个假设。在这里，我们报告的DNA碱基对自由能的测量的基础上，一个简化的系统，机械解压缩的单个DNA分子。通过将实验数据与物理模型和优化算法相结合进行分析，我们测量了10个独特的最近邻碱基对自由能，精度为0.1千卡mol-1，超过两个数量级的单价盐浓度。我们发现一组改进的标准能量值相比，统一的寡核苷酸能量和一组独特的10个碱基对特定的盐校正值。后者被认为是最强的AA/TT和CC/GG最弱。我们的新能量值和盐校正改进了DNA解链力的预测，并与寡核苷酸的解链温度完全兼容。该方法应能够在无法通过批量方法获得的条件下获得自由能、熵和熵。
2010-10-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Binding of molecules to DNA and other semiflexible polymers
本文提出了一种小分子如表面活性剂与半柔性聚合物结合的理论。假设持久长度比单体尺寸大，但比总链长小得多。这种聚合物（例如DNA）代表了柔性聚合物和刚性棒状聚合物之间的中间情况，其与小分子的关联先前已被研究过。这些链不够灵活，不能积极参与自组装，但它们的波动会诱导结合分子之间的长程吸引力相互作用。在结合显著影响局部链刚度的情况下，这些相互作用导致非常尖锐的合作缔合。这种情况与DNA与表面活性剂和紧凑蛋白如RecA的关联有关。施加在链上的外部张力被发现显着修改通过抑制波动引起的相互作用的结合。
2000-06-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Counterion Effects on Nano-confined Metal-Drug-DNA Complexes
我们探讨了DNA分子与铜配合物结合的形态，吡罗昔康分子，一种非甾体抗炎药（NSAID），在一维限制的薄膜，并研究了缓冲液中存在的反离子的影响。X射线反射率和远离铜K吸收边和原子力显微镜的研究表明，限制隔离的药物分子优先在顶层的DNA膜，和抗衡离子增强这种隔离。
2016-01-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
