Coarse-grained Modeling of DNA Curvature
DNA-蛋白质相互作用的建模是一个复杂的过程，涉及许多重要的时间和长度尺度。这可以通过使用粗粒度模型来促进，粗粒度模型减少了自由度的数量，并允许有效地探索绑定配置。已知DNA的局部结构可以显著影响其蛋白质结合性质（即DNA-组蛋白复合物中的固有曲率）。在全面的DNA-蛋白质建模的一个步骤中，我们扩展了3SPN.2粗粒度模型，以包括内在的形状，并验证了细化模型对实验数据，包括熔化温度，局部灵活性，持久性长度和小沟宽度轮廓。
2014-04-30 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
DNA Self-Assembly and Computation Studied with a Coarse-grained Dynamic Bonded Model
我们在定向动态键合框架下研究了DNA自组装和DNA计算。Svaneborg，Comp.Phys.Comm.183，1793（2012）{]}。在我们的模型中，单个核苷酸或结构域由单个相互作用位点表示。互补位点可以在模拟过程中可逆地杂交和去杂交。该键动力学诱导角键和二面角键的动力学，其模拟了化学结构对杂化动力学的集体效应。我们使用的DNA模型进行模拟的自组装动力学的DNA四面体，二十面体，以及链置换操作中使用的DNA计算。
2012-06-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
A systematically coarse-grained model for DNA, and its predictions for persistence length, stacking, twist, and chirality
我们介绍了一个粗粒度的DNA模型与基地建模为刚体椭球体捕捉其各向异性立体化学。相互作用势都是物理化学的，并且是从具有最小现象学的全原子模拟/参数化产生的。持久性长度，堆积程度，和扭曲的分子动力学模拟作为温度，盐浓度，序列，相互作用势强度和局部位置沿链的函数进行了研究，在适当的情况下，为单链和双链DNA。该模型的DNA显示了几个相变和交叉制度，除了去杂交，包括unstacking，untwisting，和崩溃，影响机械性能，如刚度和持久性长度。该模型还表现出稳定的右手和亚稳左手螺旋的手性。
2009-11-22 cond-mat.soft q-bio.BM
Coarse-grained simulations of DNA overstretching
我们使用最近开发的粗粒度模型来模拟双链DNA的过度拉伸。在23 ℃下的过拉伸在模型中发生在74 pN处，比在等效盐条件下的实验值高约6-7 pN。此外，该模型再现的温度依赖性的过拉伸力。过度拉伸的机制总是通过从自由端剥离而引起的力诱导熔融。我们从来没有看到过S-DNA（过度拉伸的双链DNA），即使在某些条件下有明确的实验证据证明这种过度拉伸模式，这表明S-DNA不仅仅是一种非堆叠的氢键双链体，而是可能具有更奇特的结构。
2013-01-29 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Coarse-Grained Simulation of DNA using LAMMPS
在过去的十年中，粗粒度的核苷酸模型已经出现，使我们能够在前所未有的时间和长度尺度上研究DNA和RNA。其中之一是oxDNA，一种粗粒度的序列特异性模型，可以捕获DNA的杂交转变以及单链和双链DNA的许多结构特性。oxDNA以前只能作为独立软件使用，但现在已被应用到流行的LAMMPS分子动力学代码中。本文介绍了新的实现，并分析其并行性能。实际应用中提出的重点是单链DNA，一个领域的研究，迄今为止一直在调查。LAMMPS的oxDNA实现大大降低了使用oxDNA模型的进入门槛，促进了未来的代码开发，并与现有的LAMMPS功能以及其他粗粒度和原子DNA模型接口。
2018-05-07 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Simulating a burnt-bridges DNA motor with a coarse-grained DNA model
我们应用一个最近开发的粗粒度的DNA模型，旨在捕捉纳米技术DNA系统的基本物理，一个“烧桥”的DNA马达组成的单链货物的步骤procancelled沿着单链定子的轨道的研究。我们证明，该模型是能够模拟这样的系统，并调查的步进过程的定子的空间分离的敏感性，发现增加的距离可以抑制成功的步骤，由于建立不利的张力。抑制的机制表明，改变定子之间的距离可以被用作一种方法，用于提高电机的信噪比，需要在定子的接合处做出决定。
2012-12-18 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Length scale dependent elasticity in DNA from coarse-grained and all-atom models
DNA的力学性质通常由具有纯粹局部耦合的弹性理论（现场模型）来描述。我们讨论和分析粗粒度（oxDNA）和全原子模拟，这表明在DNA远端网站耦合。因此，非现场模型提供了对双螺旋结构的更真实的描述。我们发现，场外相互作用是负责的长度尺度依赖的弹性，我们开发了一个分析框架，以估计弯曲和扭转的持久性长度模型，包括这些相互作用。我们的模拟表明，场外耦合是特别强的某些自由度，而他们是非常弱的其他。如果使用从DNA数据获得的刚度参数，该理论预测大的长度尺度依赖的影响，扭转波动和弯曲波动，这是与实验一致的温和的效果。
2020-10-03 cond-mat.soft q-bio.BM
Coarse-grained modeling of protein unspecifically bound to DNA
现在有一个共识，即转录因子（TF）到达它们的靶位点，在那里它们通过被称为易化扩散（FD）的机制调节基因转录。在FD中，TF在溶液中的3D扩散（跳跃）、沿着DNA的1D扩散（滑动）和小跳跃（跳跃）事件之间循环，实现比仅3D扩散更高的缔合速率。我们通过分子动力学模拟的粗粒度建模的框架中调查的FD现象。尽管粗糙的近似，我们表明，该模型产生的DNA-TF相互作用的平衡距离不同时，一个现象匹配的一些实验和数值结果与更精细的模型。特别是，通过专注于运动学的过程中，我们表征TF轨迹在滑动过程中的几何特性。我们发现，滑动发生通过螺旋路径周围的DNA螺旋导致耦合的平移沿DNA轴与旋转围绕it. The一维扩散常数在模拟中测量被发现是交织在一起的几何性质的滑动，我们开发了一个简单的参数能够定量再现测量值。
2014-02-25 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Coarse-Grained Nucleic Acid-Protein Model for Hybrid Nanotechnology
杂交DNA -蛋白质纳米技术的新兴领域带来了许多新材料的潜力，这些材料将DNA纳米技术的可寻址性与蛋白质相互作用的多功能性相结合。然而，这些混合结构的设计和计算研究是困难的，由于所涉及的系统尺寸。为了帮助设计和计算机分析过程中，我们在这里介绍了一个粗粒度的DNA/RNA-蛋白质模型，扩展了DNA/RNA的oxDNA/oxRNA模型与基于各向异性网络模型表示的粗粒度蛋白质模型。我们的模型完全配备了分析脚本和可视化，旨在促进最终实验实现的混合纳米材料设计，以及使生物复合物的研究成为可能。我们通过模拟DNA-蛋白质纳米笼、包裹在组蛋白周围的DNA和聚合酶中的新生RNA进一步证明了它的用途。
2020-09-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Coarse-grained simulations of RNA and DNA duplexes
虽然RNA发挥许多细胞功能，但对这些分子的动力学和热力学知之甚少。原则上，全原子分子动力学模拟可以研究这些问题，但与目前的计算机设备，这些模拟已被限制到小RNA和短时间。HiRe-RNA是最近提出的一种高分辨率粗粒度RNA，它捕获了许多几何细节，如碱基配对和堆叠，能够在很短的计算时间内将RNA分子折叠成接近天然的结构。到目前为止，它已被应用于简单的发夹，在这里，我们提出了它的应用，几十个核苷酸的双链体，并显示如何与我们的模型和双链交换分子动力学（REMD），我们可以很容易地预测正确的双螺旋从一个完全随机的配置和研究的解离曲线。为了显示我们的模型的通用性，我们提出了一个应用程序的双链DNA分子以及。重建算法使我们能够获得完整的原子结构的粗粒度模型。通过原子分子动力学（MD），我们可以从低温复制品的代表性结构或从实验结构开始比较动力学，并显示两者在统计上是如何相同的，突出了结构化RNA和DNA的粗粒度方法的有效性。
2013-01-21 physics.bio-ph q-bio.BM
The "sugar" coarse-grained DNA model
已经开发了20多个粗粒度（CG）DNA模型，用于模拟这种分子在各种条件下的行为，包括纳米技术所需的行为。然而，这些模型都不能再现与DNA骨架核糖环构象变化相关的DNA多态性。这些变化对DNA的局部变形性做出了重要贡献，并提供了DNA双螺旋在与生物分子相互作用期间从B型转变为A型的可能性。我们提出了一个CG表示的核糖构象的灵活性。我们证实了选择的CG网站（每核苷酸6个）所需的“糖”GC DNA模型，并获得了潜在的CG网站之间的相互作用的“自下而上”的方法，使用全原子琥珀力场。我们表明，核糖的灵活性的表示需要一个非谐波和一个三粒子的潜力，这两种潜力的形式是不同的，从通常使用的。该模型还包括（i）离子的显式表示（在隐式溶剂中）和（ii）序列依赖性。利用这些特征，糖CG DNA模型在相应的条件下再现（具有相同的参数）B-和A-稳定形式，并且展示A到B和B到A相变。
2016-07-07 physics.chem-ph q-bio.BM
Coarse-Grained model of the demixing of DNA and non-binding globular macromolecules
在盐溶液中，原核生物的基因组DNA所占据的体积比细胞大几千倍。此外，它与细胞的其余部分没有被膜隔开。然而，它只占据细胞的一小部分，称为类核。导致这种压缩的机制是目前正在辩论的问题。目前的工作旨在探索一个新提出的机制，根据该机制，类核的形成将导致DNA和非结合的球状大分子的细胞质，如核糖体的分层。为此，开发了原核细胞的粗粒度模型，并分析了作为拥挤者的大小和数量的函数的分层。该模型表明，压缩的DNA实际上是由拥挤的体积占有率，并保持弱几乎到堵塞的临界密度。然而，在堵塞之前观察到强烈的压实，这表明拥挤和静电排斥在此限制下协同作用。最后，用不同大小的拥挤物进行的模拟表明，DNA和最大的拥挤物优先分层。随着BSA蛋白和二氧化硅纳米颗粒浓度的增加，长DNA分子逐渐压实的最近观察，这项工作支持分层机制作为形成类核的关键球员。
2017-06-15 physics.bio-ph q-bio.BM
Coarse-grained modelling of DNA-RNA hybrids
本文提出基于oxDNA和oxRNA的粗粒化模型oxNA，用于模拟DNA-RNA杂合体，再现其物理性质并拟合热力学数据，并通过三个应用示例展示其适用性。
2023-11-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Inferring coarse-grain histone-DNA interaction potentials from high-resolution structures of the nucleosome
核小体中的组蛋白-DNA相互作用是基因组压缩和调控的基本机制，尽管对复合物的结构知识不断增长，但这在很大程度上仍然未知。在这里，我们提出了一个框架，用于从一系列高分辨率结构中提取纳米级组蛋白-DNA力场，这可能适用于更大一类的蛋白质-DNA复合物。我们应用程序上的一个大型晶体数据库扩展快照从分子动力学模拟。结构模型的比较首先表明，在组蛋白-DNA接触的位点，DNA碱基对局部向外移动，与组蛋白施加的局部排斥力一致。在第二步中，我们表明，分析结构的各种力的配置文件来自本地从一个独特的，序列独立的，二次排斥力场，而序列的偏好是完全由于内部的DNA力学。因此，我们获得了第一个知识衍生的纳米级的核小体中的组蛋白-DNA相互作用的潜力。在这种潜在的高亲和力序列的核小体DNA的松弛获得的构象准确地再现结合偏好的实验值。最后，我们通过计算具有序列平均性质的核小体DNA的构象，解决了与核小体中80%的基因组序列相关的更通用的结合机制。这种构象被发现不同于晶体中发现的构象，并且分析表明，排斥组蛋白力与核小体DNA中的局部拉伸张力有关，主要是在连续的接触点之间。这种紧张关系可能在复合体的稳定性中发挥作用。
2014-11-03 physics.bio-ph q-bio.BM
Insights into elastic properties of coarse-grained DNA models: q-stiffness of cgDNA vs. cgDNA+
本文利用傅里叶空间刚度矩阵方法对比了cgDNA与cgDNA+模型，发现cgDNA+能准确重现全原子模型的长尺度弹性，而cgDNA在长尺度扭曲刚度上存在显著偏差。
2024-01-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Introducing Improved Structural Properties and Salt Dependence into a Coarse-Grained Model of DNA
我们介绍了一个扩展版本的oxDNA，一个粗粒度的DNA模型，旨在捕捉单链和双链DNA的热力学，结构和机械性能。通过包括明确的主要和次要的凹槽，并通过稍微修改的同轴堆叠和骨干骨干的相互作用，我们提高了处理大的模型的能力（酶对）结构，如DNA折纸，这是敏感的这些几何特征。此外，我们扩展的模型，这是以前参数化的盐浓度（[Na $^+$ ]= 0.5 M），使其可以用于一系列的盐浓度，包括那些相应的生理条件。最后，我们使用新的实验数据来参数化oxDNA潜力，使得连续的腺嘌呤碱基以不同的强度堆叠到连续的胸腺嘧啶碱基，这一特征允许更准确地处理单链区域的灵活性很重要的系统。我们说明了新的可能性开辟了更新的模型，oxDNA2，提出的结果，从模拟的结构大的DNA对象，并通过使用该模型来调查一些盐依赖性的DNA。
2015-05-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Coarse-grained modelling of the structural properties of DNA origami
我们使用的oxDNA粗粒度模型提供了一个详细的表征的基本结构特性的DNA折纸，专注于原型的2D和3D折纸。该模型再现了二维折纸中螺旋弯曲的特征图案，表明它源于反平行四路连接的内在趋势，即通过较少的屏蔽静电相互作用和增加的热运动来增强这种趋势。我们还比较了结构的3D折纸，其结构已确定由冷冻电子显微镜。oxDNA平均结构与实验结构具有8.4埃的均方根偏差，其为实验分辨率的量级。这些结果表明，oxDNA模型是能够提供详细和准确的见解的DNA折纸的结构，并有可能被用于常规预筛选假定的折纸设计。
2018-09-22 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Sequence-dependent thermodynamics of a coarse-grained DNA model
我们引入了一个粗粒度DNA模型的序列依赖参数化[T。E. Ouldridge，A. A.路易斯和J.P.K. Doye，J.Chem.Phys.134，085101（2011）]，最初设计用于再现具有平均序列的DNA分子的性质。新的参数化引入了序列依赖性堆叠和碱基配对的相互作用强度，选择重现短双链体的解链温度。通过开发直方图重新加权技术，我们能够将我们的参数拟合到数千个序列的解链温度。为了证明该模型的灵活性，我们研究了序列对以下各项的影响：（a）单链的非均质堆叠转变，（b）双链体在其熔点磨损的倾向，（c）堆叠强度的影响环中发夹的熔化温度，（d）单链的力延伸性质和（e）接吻环复合物的结构。在可能的情况下，我们比较我们的结果与实验数据，并找到一个很好的协议。一个名为oxDNA的模拟代码，实现了我们的模型，可以作为免费软件使用。
2012-07-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
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
High-resolution coarse-grained modeling using oriented coarse-grained sites
我们介绍了一种方法，使近原子分辨率的粗粒度模型，我们将该方法应用于蛋白质。使用少量的粗粒度的网站（约每八个原子之一），但分配一个独立的三维取向的每个网站，我们优先整合出刚性的自由度（键长和角度，以及二面角环），准确地近似其平均值，而保留软自由度（不受约束的二面角）主要负责构象的变化。我们证明，我们的计划保留了近原子的分辨率映射到粗粒度配置的蛋白质数据库中的所有实验蛋白质的配置，然后分析映射这些配置回全原子配置。这个往返映射丢弃了与消除的（刚性）自由度相关的所有信息，除了它们的平均值，我们使用它来构造最佳的反向映射函数。尽管自由度的数量减少了4：1，但我们发现，在往返映射过程中，重原子平均仅移动0.051埃，而氢原子平均移动0.179埃，这是粗粒度蛋白质模型中效率和准确性的前所未有的组合。我们讨论了这样一个高分辨率的模型参数化有效的相互作用和准确地计算通过直接或多尺度模拟观测的优势。
2014-09-30 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph q-bio.BM
Machine Learning Coarse-Grained Potentials of Protein Thermodynamics
Universitat Pompeu Fabra（庞培法布拉大学）；Acellera Labs（阿塞莱拉实验室）；Rice University（莱斯大学）；FU Berlin（柏林自由大学）
针对蛋白质动力学理解这一科学难题，本文构建基于人工神经网络和统计力学的粗粒化分子势函数，利用含12种蛋白质约9毫秒全原子模拟的独特数据集训练，模型加速动力学超三个数量级且保留热力学特性，可识别结构状态、整合多蛋白质并捕捉突变体特征，为蛋白质动力学研究提供可行方法。
2022-12-14 cs.LG q-bio.BM
Statistical Mechanics of DNA Rupture: Theory and Simulations
研究了剪切力对双链DNA断裂机制的影响。受最近实验的启发，我们用显式溶剂进行了原子模拟，得到了断裂力以下氢键和共价键的延伸分布。我们得到一个显着的差异原子模拟和现有的结果在迭代的基础上粗粒度的模型（理论和模拟）。我们讨论了可能的原因，并通过将核苷酸的半微观细节的后果纳入其描述中来改进粗粒度模型。由修改后的模型（模拟和理论）得到的分布是定性的类似使用原子模拟得到的。
2013-10-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
DNA nanotechnology: understanding and optimisation through simulation
DNA纳米技术有望在纳米尺度上提供可控的自组装，允许设计静态结构、动态机器和计算架构。在这篇文章中，我回顾了DNA纳米技术的最新进展，强调了在理论建模和实验表征方面对关键过程进行更详细理解的必要性。然后，我考虑粗粒度的DNA模型，中尺度的描述，有可能提供很大的洞察DNA纳米技术的运作，如果他们是精心设计的。特别是，我讨论了一些纳米技术的系统，已经研究了oxDNA，最近开发的粗粒度模型，突出了微妙的相互作用的动力学，热力学和机械因素，可以确定的行为。最后，新的结果突出了机械张力的重要性，在操作中的一个双脚步行者，表明恢复从一个意想不到的“超越”的配置可以加速三到四个数量级的应用程序的适度紧张的步行者的轨道。更一般地说，步行者说明了偏移链位移过程以影响总速率的可能性。
2014-11-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
pH-dependent coarse-grained model of peptides
我们提出了第一个，据我们所知，粗粒度建模策略的肽的pH值的变化的影响可以有效地描述。这个想法是基于模拟pH值对主要驱动相互作用的影响。我们使用原子模拟和实验数据库中的参考数据，并根据“跨尺度一致性”的原则将其主要物理特征转换为粗粒度分辨率。通过找到一组参数来细化粗粒度模型，当将这些参数应用于具有不同序列和实验性质的肽时，可以重现参考的实验和原子数据。我们使用这样的参数化模型进行几个数值测试，以检查其可移植到其他系统，并证明相关的建模策略的通用性。我们已经尝试了系统，而不同的pH值变化的反应，表现出非常令人满意的性能的模型。
2013-04-26 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Capturing the essence of folding and functions of biomolecules using Coarse-Grained Models
生物分子及其复合物可以发挥作用的距离从几纳米（折叠结构）到几毫米（例如染色体组织）不等。描述涵盖如此不同长度和时间尺度的现象，需要模型来捕捉特定长度尺度的潜在物理学。理论思想，特别是来自聚合物物理学的概念，指导了粗粒度模型的发展，以研究DNA，RNA和蛋白质的折叠。最近，此类模型及其变体已应用于生物纳米机器的功能。使用粗粒度模型的模拟现在准备解决生物学中的广泛问题。
2011-09-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Coarse-grained Interaction Potentials for Anisotropic Molecules
我们已经提出了一个有效的参数化方法，最近的变种Gay-Berne势的不同和双轴粒子，并证明了它的一组小的有机分子。与先前提出的粗粒度模型相比，新的势在近距离接触和大距离相互作用中表现出优越的性能。通过统计方法研究了热振动和弹性的影响。该研究证明，平均力的潜力是用相同的功能形式表示，扩展这种粗粒度的描述，以更广泛的分子的应用。此外，采用粗粒度的模型截断原子求和与大距离截止的优势进行了简要的研究。
2006-02-13 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.chem-ph
Rupture of DNA Aptamer: new insights from simulations
双链DNA中的碱基口袋（非互补碱基对）在生物过程中起着至关重要的作用。由于热波动，它可以降低DNA的稳定性，而在DNA适体的情况下，小分子例如腺苷单磷酸（AMP）、腺苷三磷酸（ATP）等与称为“结合口袋”的碱基口袋形成额外的氢键，这增强了稳定性。采用Langevin动力学方法对DNA的粗粒模型进行模拟，并结合原子论模拟，研究了碱基口袋和结合口袋对DNA适体稳定性的影响。本文报道了由温度和力引起的分离的显著差异，这需要通过单分子实验进一步研究。
2015-10-31 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
