A polymer model of bacterial supercoiled DNA including structural transitions of the double helix
DNA超螺旋（DNA supercoiling）是参与细菌基因组压缩和使基因组序列呈现多种结构形式的关键物理机制。DNA超螺旋可能导致形成编织的超结构（plectonemes），或者它可能局部破坏典型的B-DNA以产生变性气泡，左手Z-DNA和其他功能替代形式。这些结构的相对分数的预测一直是有限的，因为缺乏预测的聚合物模型，可以捕捉长DNA分子的多尺度特性。在这项工作中，我们解决这个问题，通过扩展的自我避免棒状链模型的DNA，使每个网站的链分配有一个额外的结构自由度，反映DNA形式的变化。该模型的有效模拟揭示了它的相关性，以捕捉多尺度性能的长链（这里高达21 kb）磁镊实验报告。控制良好的近似进一步导致准确的分析估计的热力学性质在高的力制度，提供，结合实验，一个简单的，但强大的框架来推断描述替代形式的物理参数。在这方面，使用模拟数据，我们发现，在2 pN以上的力的延伸曲线可能会导致，单独，错误的参数估计的欠确定问题的后果。因此，我们根据这些发现重新审视了已发表的数据，并讨论了先前提出的变性和左手DNA形式的参数集的相关性。总之，我们的工作为细菌DNA的可扩展定量模型铺平了道路。
2019-04-25 physics.bio-ph q-bio.BM
Structural and dynamic properties of linker histone H1 binding to DNA
在所有真核细胞中发现，已知连接体组蛋白H1结合并重排核小体连接体DNA。在体外，H1/DNA相互作用的基本性质引起了研究界的广泛兴趣-生物学家从染色质组织破译的角度来看，物理学家从染色质相互作用的角度来看。因此，H1/DNA结合过程，这些自组装的结构和动力学信息是广泛的重要性。针对H1诱导的DNA压缩机制的定量理解，我们的策略是基于使用小角度X射线微衍射与微流体相结合。微流体流体动力聚焦装置的使用促进了这些自组装过程的微尺度控制。此外，该方法能够实现对结构形成的时间分辨访问，特别是对瞬态中间状态。所观察到的随时间变化的结构演化表明，H1与DNA的相互作用可以被描述为两个步骤的过程：H1与DNA的初始非特异性结合，随后是所形成的组件内的分子重排。第二步很可能是由蛋白质和DNA的带电侧链之间的相互作用引起的。这导致DNA/蛋白质组装体内的晶格间距增加，并引起中间相的相关长度减小，这可能是由于DNA的局部弯曲。
2010-08-11 physics.bio-ph q-bio.BM
Nonlocal Structural Effects of Water on DNA Homology Recognition
针对同源DNA识别机制，研究揭示了DNA周围结构化水的非局域介电响应效应能显著增强DNA-DNA相互作用的识别驱动力，弥补了经典静电学模型在短程间距下的不足。
2024-03-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Ion assisted structural collapse of a single stranded DNA: a molecular dynamics approach
带负电荷的核酸的结构和动力学与带相反电荷的抗衡离子的浓度和电荷密切相关。众所周知，DNA的结构崩溃在额外的盐的存在下是有利的，额外的盐是过量的带相反电荷的离子的来源。在这样的条件下，单链DNA采用折叠的卷曲样构象，通常以堆叠碱基对为特征。使用原子分子动力学模拟，我们证明，在额外的二价盐（MgCl 2）的存在下，单链DNA（Dickerson德鲁十二聚体）最初崩溃，然后扩大随着盐浓度的增加。这是由于过充电诱导的DNA链溶胀，这是较高二价盐浓度下的主导因素。简而言之，我们的模拟显示了在二价盐的存在下，非顺序碱基堆积和过度充电如何与单价盐不同地竞争和影响单链DNA动力学。
2015-08-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Structural Modeling of DNA Loops in Lactose-Repressor
众所周知，DNA分子的结构变形（应力状态）在其生物学功能（包括基因表达）中起着至关重要的作用。例如，DNA中的成环（通常由蛋白质结合介导）是许多基因调控机制中的关键步骤。我们使用DNA分子的机械杆模型来模拟其在基因表达过程中与蛋白质（酶）的结构相互作用。我们的杆模型可以模拟在长尺度上的DNA环和超螺旋形成的非线性动力学。该公式考虑了DNA链的结构刚度，其固有曲率，手性（右手螺旋）结构及其与周围介质的物理相互作用。蛋白质介导的DNA环的模拟说明了DNA的机械性质如何影响DNA-蛋白质相互作用的化学动力学，从而调节基因表达。
2007-02-23 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Overstretching of B-DNA with various pulling protocols: Appearance of structural polymorphism and S-DNA
我们报告的结构多态性的S-DNA时，一个典型的B-DNA在不同的拉伸协议，并提供了一个基本的分子理解的DNA拉伸机制。广泛的全原子分子动力学模拟揭示了当B-DNA沿相反链（OS3）的3'方向拉伸时，清晰地形成了S-DNA，其特征在于氢键数目、熵和自由能的变化。沿相反链（OS 5）的5'方向拉伸导致DNA的力诱导解链形式。有趣的是，沿着同一条链（SS）的相对两端拉伸导致S-和熔化的M-DNA结构共存。我们还通过计算各种螺旋参数对S-DNA进行了结构表征。我们发现，S-DNA有一个扭曲的~10度，对应的螺旋重复长度~ 36个碱基对，与以前的实验结果密切一致。此外，我们发现，DNA的规范和过度拉伸状态之间的自由能垒是较高的相同的终端（SE）拉协议相比，在这项工作中考虑的所有其他协议。总的来说，我们的观察结果不仅与现有的实验结果定性一致，而且还增强了对不同过度拉伸DNA结构的理解。
2017-11-24 physics.bio-ph
DNA as a one-dimensional chiral material. II. Dynamics of the structural transition between B form and Z form
我们分析了线性DNA分子在正常的右手B型和不寻常的左手Z型之间结构转变的动力学。通过Langevin方程对生理缓冲液中的外扭矩下的动力学进行建模，其中势项由作者先前给出[Phys. Rev. E 84，021926（2011）]。利用该模型，我们首先模拟了B型结构周围的松弛过程后，突然改变的外部扭矩，在缓慢的松弛$\sim t^{-1/2}$作为经过的时间$t$的函数被观察到。在此基础上，计算了在不同的外扭矩强度下，结构从Z型向B型过渡的动力学过程。对于小的外转矩，通过形核和生长的过渡进行，而对于更高的转矩，Z形结构变得不稳定，和过渡机制切换到类旋节过程。这些数值结果定性地理解简单的唯象参数。
2012-10-11 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Dramatic changes in DNA Conductance with stretching: Structural Polymorphism at a critical extension
为了解释最近的实验研究的依赖性的电导的ds-DNA的DNA是从3 '端1 - 3'端2端拉，发现一个急剧的电导跳一个非常短的（4.5%）的拉伸长度，我们进行了多尺度建模，预测的电导的dsDNA，因为它是机械拉伸，以促进各种结构的多态性。我们使用分子动力学模拟、非平衡拉伸模拟、量子力学计算和动力学蒙特卡罗模拟的组合来计算沿着拉伸DNA的电流。对于5 '端1 - 5'端2连接，我们发现在非常短的拉伸长度（6 $ Å$或17%）内电流的突然跳跃导致解链的DNA状态。相反，对于3 '端1 - 3'端2牵拉，需要几乎32 $ Å$（84%）的拉伸才能引起电流中的类似跳跃。因此，我们证明了DNA中的电荷传输可以发生在几个纳米的拉伸长度。我们发现，这种意想不到的行为在B到S构象的DNA转换产生高度倾斜的碱基对的几何形状，导致从这种拉协议。我们发现，两种不同的拉动协议的显着不同的电导行为产生的性质如何DNA碱基对的氢键断裂。
2016-08-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Structural Rigidity of Paranemic (PX) and Juxtapose (JX) DNA Nanostructures
交叉基序是设计基于DNA的纳米结构和纳米机械器件的不可或缺的组成部分，这是由于它们与正常B-DNA相比具有增强的刚性。虽然双螺旋B-DNA的结构刚性已被广泛使用的实验和理论工具进行了研究，到目前为止，没有定量的信息结构刚性和平行交叉DNA基序的机械强度。我们采用完全原子分子动力学模拟在显式溶剂中得到了平行DNA纳米结构的力-延伸曲线来表征其机械刚性。在Na ~+存在下，我们发现与相同序列和长度的正常B-DNA相比，平行交叉（PX）及其拓扑异构体JX DNA结构的拉伸模量（γ_1）显著增加（~ 30%）。然而，这与最初的预期相反，即与双链B-DNA相比，这些基序几乎是刚性的两倍。当DNA基序被包围的溶剂与Mg 2+抗衡离子，我们发现一个增强的刚性相比，Na+环境由于静电屏蔽效应所产生的Mg 2+离子的二价性质。这是第一次直接测定这些交叉基序的机械强度，这对于设计具有改进的结构刚性的基于DNA的纳米结构和纳米机械装置的合适DNA是有用的。
2011-09-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
Can pulling cause right- to left-handed structural transitions in negatively supercoiled DNA double-helix?
基于我们提出的一个理论模型[H. Zhou等人，物理修订信函82，4560（1999）]。结果表明，牵拉可以使负超螺旋DNA双螺旋从右手B型转变为左手构型，这种构型在某些重要方面类似于DNA Z型。这种可能的过渡的能量计算和比较最近的实验观察定性讨论。
1999-09-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Dual Photonics Probing of Nano- to Submicron-Scale Structural Alterations in Human Brain Tissues or Cells and Chromatin or DNA with the Progression of Alzheimers Disease
研究提出一种结合PWS和IPR的双光子技术，检测阿尔茨海默病进展中人脑组织、细胞及DNA或染色质的纳米至亚微米级结构无序性增加，揭示了由淀粉样蛋白β沉积引起的大分子重排和质量密度波动是导致结构损伤的关键机制。
2024-12-19 physics.bio-ph physics.med-ph physics.optics
Elastic property of single double-stranded DNA molecules: Theoretical study and comparison with experiments
本文旨在全面了解最近通过单分子操纵技术发现的双链DNA（dsDNA）的新弹性性质。提出了一种双链生物高分子的通用弹性模型，并引入了一个新的结构参数--折叠角$ϕ$来表征其变形。在此基础上，考虑了DNA相邻碱基对之间的碱基堆积作用、碱基对的空间效应以及DNA骨架上的静电相互作用，研究了长链双链DNA分子的力学性质.用路径积分方法得到了定量的结果，理论与五个主要实验组的观测结果符合得很好。碱基堆积相互作用的强强度确保了DNA的结构稳定性，而这种相互作用的短程性质使得外部刺激的大结构波动成为可能。DNA的熵弹性、高度伸展性和超螺旋性质都与此密切相关。本工作还表明，负扭矩可以诱导高度延伸的DNA从右手的B型结构转变为类似于Z型构型的左手构型。附录中列出了路径积分法在高分子体系中应用的有关公式。
2000-03-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Photonic localization probe of molecular specific intranuclear structural alterations in brain cells due to fetal alcoholism via confocal microscopy
分子特异性光子定位是一种灵敏的技术，用于探测细胞中的结构改变或异常，例如由于酒精或其他药物引起的异常。母亲在怀孕期间饮酒，或胎儿酒精中毒，是儿童智力迟钝的主要因素之一。胎儿酒精综合征和酒精相关的神经发育障碍是母亲饮酒的可怕后果，与显着的认知和行为缺陷有关。怀孕母亲饮酒具有致畸性，会影响胎儿健康，造成脑损伤和其他出生缺陷。这可能会影响脑细胞在非常nanolevel无法预测目前的组织病理学程序。我们在两个不同的空间分子成分，DNA和组蛋白分子质量密度，在脑细胞核的胎儿酒精影响（FAE）的幼崽在出生后60天的纳米级空间结构的变化进行定量。收集脑细胞的共聚焦图像，并使用最近开发的分子特异性光或光子定位分析技术获得DNA和组蛋白的形态学改变的程度，在质量密度波动方面。结果表明，DNA的空间结构紊乱程度增加，组蛋白修饰减少。DNA空间无序的增加可能表明DNA解旋，并可能导致基因表达的增加。减少组蛋白修饰可能表明其从DNA中释放，并有助于DNA解旋和基因表达。结构紊乱的可能原因，以及相反的重排的DNA和组蛋白分子在胎儿酒精的影响进行了讨论。
2018-12-27 physics.bio-ph
Tunable Thermal Switching via DNA-Based Nano Devices
DNA有一个明确的结构转变-双链形式变性为两条单链-这强烈影响其热传输特性。我们表明，根据广泛实施的DNA变性模型，可以设计DNA“heattronic”设备，在变性转变（~350 K）的狭窄温度范围内具有快速增加的热导率。电导的这种快速增加或“切换”的起源是当温度越过转变温度和DNA变性时晶格的软化和非线性效应的抑制。最重要的是，我们证明了DNA纳米结具有广泛的热可调性，由于不同的序列和长度，并利用潜在的非线性行为。我们讨论了碱基序列中无序的作用，以及与基因组DNA的关系。这些结果为开发具有非线性结构动力学的材料的热器件以及理解DNA变性的潜在机制奠定了基础。
2012-12-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Small-angle neutron scattering and Molecular Dynamics structural study of gelling DNA nanostars
具有适当设计的序列的DNA寡聚体自组装成明确定义的构建体。在这里，我们利用这种方法来生产大量的四价DNA纳米星（每一个由196个核苷酸组成），并探索其聚集过程的结构特征。我们报告的小角中子散射实验集中在两个形状因子和散射强度在纳米星浓度的系统形成四价平衡凝胶的温度演变的评价。我们还进行了分子动力学模拟的一个孤立的四聚体，以评估理论上的形状因子，而不诉诸于任何近似的形状。数值计算的形状因子与实验结果吻合得很好。模拟预测一个基本上与温度无关的形状因子，提供了可能性，以提取有效的结构因子及其演变过程中的平衡凝胶化。
2016-05-05 cond-mat.soft physics.bio-ph
Phase Transition between 'A' and 'B' forms of DNA: A Free Energy Perspective
我们用群论方法研究了DNA从B型到A型的结构转变。该跃迁不是有序-无序型的，因此为了构造一个朗道型的跃迁理论，我们定义了一个更高的对称性和相关的序参量。我们还讨论了所有的构象的问题，实验观察到的过渡过程中，从根本上不同或没有。
2010-04-04 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Reaction Path Averaging: Characterizing the Structural Response of the DNA Double Helix to Electron Transfer
一个可极化的环境，特别是溶剂，对生物分子中的电子变化迅速作出反应。然而，生物分子本身的构象弛豫的知识可能是稀缺的或缺失的。在这项工作中，我们详细描述了在DNA中进行电子转移之间的两个相邻的核碱基的结构变化。我们采用了一种方法的基础上平均的分子动力学模拟产生的几十万到几十万的非平衡态轨迹，并减少适合DNA的维数。我们发现，DNA的构象响应沿一个单一的集体坐标，代表两个连续的碱基对的相对方向，即，螺旋参数的组合移动和倾斜。DNA的结构在达到纳秒的时间尺度上弛豫，对能量的弛豫贡献很小，这由水性溶剂的运动模式主导。反应路径平均（RPA）的概念，方便地利用在这种情况下，使得它有可能从非平衡数据过滤掉任何不希望的噪音，并适用于任何化学过程中的一般。
2017-09-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
What do we know about DNA mechanics so far?
DNA分子除了携带遗传信息外，还在各种生物过程中起着至关重要的作用，并在药物设计，纳米技术和纳米电子学中找到应用。分子在生理和非生理环境力的影响下经历显著的结构转变。在这里，我们总结了从模拟和单分子实验中获得的关于DNA在力作用下的结构转变和力学的见解，以及在各种环境条件下的弹性特性，并讨论了吸引人的未来方向。
2020-06-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Mass-Resolved Electronic Circular Dichroism Ion Spectroscopy
DNA和蛋白质是手性的：它们的三维结构不能与镜像叠加。圆二色光谱被广泛用于表征手性化合物，但在混合物的情况下，数据解释是困难的。我们首次记录了在质谱仪中分离的DNA螺旋的电子圆二色光谱。我们电喷雾富含鸟嘌呤的链具有各种二级结构作为负离子，用激光照射它们，并测量左和右圆偏振光之间的电子光剥离效率的差异。重建的圆二色性离子光谱类似的解决方案，从而使我们能够分配的DNA螺旋拓扑结构。直接在生物分子离子上测量圆二色性的能力扩展了质谱用于结构分析的能力。
2020-02-04 physics.bio-ph q-bio.BM
Photonics probing of DNA specific spatial mass density fluctuations in gut cell nuclei due to total body irradiation via confocal imaging
细胞内的异常导致纳米级结构改变，可以通过共聚焦成像和这些改变的定量来表征。意外或故意暴露于全身照射（TBI）会对细胞核DNA产生不利影响。在这里，我们研究的DNA分子质量密度的空间结构的改变，染色质在肠组织细胞核中所造成的暴露于标准剂量的4Gy TBI，使用光定位技术称为逆参与比（IPR）在共聚焦图像。结果表明，辐射抑制DNA空间质量密度波动。因此，减少和饱和的DNA密度波动观察到不同的持续时间的照射后。
2020-06-02 physics.bio-ph physics.med-ph
Optical detection of the spatial structural alteration in the human brain tissues and cells and DNA and chromatin due to Parkinsons disease
研究利用PWS和IPR双重光学技术检测帕金森病患者脑组织、细胞及DNA染色质的结构无序度增加，证实其与α-突触核蛋白聚集相关，为PD早期检测提供了高效生物标志物。
2024-12-25 physics.bio-ph physics.med-ph physics.optics
Modulation of DNA loop lifetimes by the free energy of loop formation
细胞中遗传信息的存储和检索是一个动态的过程，需要DNA经历戏剧性的结构重排。DNA成环是这种结构重排的一个突出例子，这种结构重排对于原核生物和真核生物的转录调控都是必不可少的，并且这种调控的速度影响个体的适应性。在这里，我们研究在体外循环动力学的经典紫胶阻遏基因调控基序。我们发现，在DNA-阻遏物交界处的循环协会和循环解离依赖于DNA和蛋白质的弹性形变，并且成环和解环速率近似与成环J因子成比例，这反映了系统的变形自由能。我们用过渡态理论解释了这一现象，并将DNA-蛋白质复合物模拟为一个有效的蠕虫状扭曲链。我们引入了一个有限的蛋白质-DNA结合相互作用的长度，在竞争的特征DNA变形长度尺度，作为物理起源的以前未识别的环解离动力学观察到这里，并讨论了这种行为的鲁棒性扰动在几个聚合物参数。
2015-01-05 physics.bio-ph
DNA-based Self-Assembly of Chiral Plasmonic Nanostructures with Tailored Optical Response
在金属纳米结构中产生的表面等离子体共振可以用于定制电磁场。这种结构的精确空间排列可以产生令人惊讶的光学特性，这些特性在任何天然存在的材料中都没有发现。在这里，设计的活动出现在集体效应的单一组件配备有限的个人功能。通过常规光刻方法自上而下制造具有在可见光范围内的预先设计的光学响应的等离子体材料由于其有限的分辨率、缩放的复杂性以及将这些技术扩展到三维架构的困难而仍然具有挑战性。分子自组装提供了一种替代途径来产生这种材料，其不受上述限制的约束。我们演示了如何DNA折纸方法可以用来生产等离子体材料与定制的光学响应在可见波长。利用3D DNA折纸的组装能力，我们将空间精度为2 nm的金属纳米颗粒排列成纳米级螺旋。螺旋结构在溶液中以大规模平行的方式组装，并具有接近定量的产量。作为一个设计的光学响应，我们产生了巨大的圆二色性和光学旋转色散在可见光范围内，起源于集体等离子体激元-等离子体激元相互作用内的纳米螺旋。我们还表明，通过改变金属纳米颗粒的组成，可以通过可见光谱调谐的光学响应。观察到的效果与入射光的方向无关，并且可以通过设计在左手和右手方向之间切换。我们的工作展示了从精确设计的纳米组装生产复杂的散装材料，并突出了DNA自组装用于制造等离子体纳米结构的潜力。
2011-08-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Mesoscopic model for nano-channel confined DNA
我提出了一个哈密顿模型和计算方法，适合于评估螺旋分子嵌入拥挤的环境中，可能会限制可用的碱基对波动的空间的结构和热力学性质。它示出，对于在纳米通道中的短DNA片段的特定情况下，分子通过使通道的宽度变窄而显著地过度扭曲和拉伸。
2019-09-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
The Integration Host Factor is a pH-responsive protein that switches from DNA bending to DNA bridging in acidic biofilm-like conditions
School of Physics and Astronomy, University of Edinburgh（爱丁堡大学物理与天文学院）；School of Biological Sciences, University of Edinburgh（爱丁堡大学生物科学学院）；School of Physics, Engineering & technology, University of York（约克大学物理、工程与技术学院）；Department of Biology, University of York（约克大学生物系）
研究揭示整合宿主因子在酸性条件下由DNA弯曲转为DNA桥接，通过pH调节其与DNA的相互作用，支撑生物膜结构。
2026-03-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
The synergy between protein positioning and DNA elasticity: energy minimization of protein-decorated DNA minicircles
蛋白质与DNA的结合有助于基因组的形成和包装以及特定遗传信息的表达。为了了解蛋白质的存在和DNA的变形之间的相互作用，在这样的过程中，我们开发了一种新的方法，以尽量减少弹性能量的DNA片段在介观水平。我们的方法使得有可能获得最佳途径的蛋白质修饰的DNA分子的末端碱基对的空间约束。在这项工作中，我们专注于选定的建筑蛋白质对环状DNA诱导的变形。我们报告的能量景观的DNA微环受到不同程度的扭转应力，并包含一个或两个蛋白质的功能的链长和蛋白质之间的间距。我们的研究结果揭示了双螺旋的弹性和结合蛋白引起的DNA结构扭曲之间的合作。我们发现，施加的机械应力会影响蛋白质在DNA上的位置，而蛋白质反过来又会调节机械应力，从而沿着DNA传播它们的存在。
2014-05-29 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Comparative Electrostatic Force Microscopy of Tetra- and Intra-Molecular G4-DNA
两种形式的G4-DNA，与平行和成对的反平行链，使用原子力显微镜进行了研究。链的方向性影响分子的结构特性（不同的高度和长度）及其电极化。平行G4-DNA的极化率是反平行G4-DNA的两倍，这表明它是一种更好的生物纳米电子学电线。
2014-09-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Flexibility of nucleic acids: from DNA to RNA
核酸的结构灵活性在许多基本生命过程中起着关键作用，如基因复制和表达，DNA-蛋白质识别和基因调控。为了获得对核酸柔性的透彻理解，已经使用各种实验方法和理论模型进行了广泛的研究。本文将介绍核酸（包括DNA和RNA）柔性的研究进展，重点介绍实验结果以及盐、温度和序列的影响。最后，我们将讨论在理解核酸的灵活性的主要未回答的问题。
2015-09-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Unzipping DNA : A hypothesis on correlation during replication
基于在DNA模型中由力引起的解链相变的结果，我们假设DnaA型蛋白质充当牵拉剂，其力略小于解链的临界力。解压缩的动态（空间-时间）相关性然后驱动后续的复制事件。在这种相关性驱动的情况下，不需要复制体作为结构单位，并且这种难以捉摸的复制体可能根本不存在。
2000-11-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Programmable DNA-mediated multitasking processor
由于DNA具有体积小、结构重复和刚性强等优点，可编程DNA介导的信息处理是一种很有前途的计算模式，它利用DNA作为信息存储和处理的基底来解决计算问题。DNA杂交的大规模并行性表现出卓越的潜力，以提高多任务的能力，并产生一个巨大的速度比传统的电子处理器与逐步信号级联。作为多任务处理能力的一个例子，我们提出了一个体外可编程的DNA介导的最佳路线规划处理器作为嵌入在当代导航系统的功能单元。这种新型的可编程DNA介导处理器与现有的硅介导方法相比具有几个优点，例如通过比传统硅器件少得多的材料进行大量数据存储和同时处理。
2015-08-14 physics.bio-ph
Characterizing the bending and flexibility induced by bulges in DNA duplexes
DNA纳米技术的进步刺激了对可用于控制DNA纳米结构性质的简单基序的搜索。一个这样的基序，其已被广泛用于结构，如多面体笼，二维阵列，和带，是一个凸起的双链体，这是两个螺旋段连接在一个凸起环。我们使用一个粗粒度的DNA模型来描述这种凸出的双链体。我们发现，这种基序可以采用属于两个主要类别的结构：一个是在系统中心的螺旋堆叠被保留，几何形状大致是直的，凸起在双链体的一侧，另一个是在中心的堆叠被打破，从而允许这个连接作为铰链，增加灵活性。小环有利于保持双链体中心堆叠的状态，环碱基翻转或并入双链体。具有较长环的双链体显示出更多的倾向于在凸起处解堆叠并采用开放结构。然而，当单链DNA的刚性很大并且环能抵抗压缩时，对于中间长度的环，解堆积的概率最高。这种基本结构基序的性质与某些纳米级物体的结构行为明显相关，其中与较大凸起相关的增强的柔性已用于调整自组装产物以及所得纳米结构的详细几何形状。
2014-12-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Mechanism of Threshold Elongation of DNA Macromolecule
在唯象方法的框架下研究了DNA大分子在外力作用下的阈值伸长（过拉伸）机制。当考虑任务时，考虑到双链DNA是具有一组亚稳态的多态性大分子。根据所提出的机制，DNA阈值延伸可以作为大分子向亚稳态形式的合作结构转变而发生，所述亚稳态形式由外力稳定。为了描述DNA的过度拉伸，建立了包含外部（拉伸）和内部（构象）位移分量的模型。如所假设的，两种组分在双螺旋转化的途径上偶联。结果表明，在力的作用下，DNA的变形分两个阶段进行。首先是双螺旋结构的重组，导致DNA大分子构象双稳态的形成。在第二阶段，构象转变及其引起的变形作为阈值过程始终覆盖大分子。计算的DNA超拉伸过程的特性与实验数据的比较表明，良好的协议。结合已有文献数据对实验结果进行了分析，得出结论：双螺旋中的过拉伸转变是一个动力学过程，可以在DNA链中扩散。同时，在A $\cdot$ T含量丰富的DNA中，由于大的耗散，过度拉伸过程导致力诱导的熔融转变，并且应该具有近似静态的特征。
2016-02-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Monte Carlo implementation of supercoiled double-stranded DNA
采用Metropolis蒙特卡罗模拟研究了双链DNA在扭转应力作用下的弹性，其中扭转和超螺旋是碱基堆积相互作用和DNA互补碱基间形成的氢键约束的主链弯曲的自然结果.在拉伸-扭转和/或力-拉伸曲线中发现了三个明显的区域：低力区域，在该区域中，过缠绕和欠缠绕分子在拉伸下的行为相似;中等力区域，在该区域中，负超螺旋和正超螺旋DNA都出现手性，而欠缠绕分子的拉伸对聚合物的超螺旋程度不敏感;和一个大的力量制度，其中plectonemic DNA完全转化为扩展的DNA和超螺旋DNA的行为很像一个无扭转分子。扭转拉伸DNA的理论计算和最近的实验测量之间的惊人一致性[Strick et al.，Science { \bf 271}，1835（1996），Biophys. J. { \bf 74}，2016（1998）]强烈表明，碱基堆积相互作用和永久氢键约束之间的相互作用在理解超螺旋DNA聚合物的弹性的新性质中起重要作用。
1999-11-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Modeling the effect of intercalators on the high-force stretching behavior of DNA
DNA通过嵌入剂分子的结合而在结构和机械上改变。嵌入强烈影响DNA的力延伸行为，特别是过度拉伸转变。我们提出了一个统计模型，捕捉最近的力延伸实验的所有相关发现。从我们的模型的两个预测。第一个建议的存在下，一个新的超拉伸制度的存在下，插层剂和第二，线性依赖的过拉伸力的插层剂浓度，通过重新分析现有的实验数据进行验证。我们的模型确定了控制嵌入DNA力学的物理原理，提供了对其局限性和可能性的预测性理解。
2015-12-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
DNA Origami Catenanes Templated by Gold Nanoparticles
机械联锁分子是拓扑化学领域的重大突破，推动了分子机械的蓬勃发展。作为互锁分子的典型实例，索烃包括像链中的连接件一样彼此穿过的大环。受过渡金属模板链烷合成方法的启发，本工作展示了以金纳米颗粒为模板的DNA折纸链烷的分级组装。成功地产生了含有两个、三个或四个互锁环的DNA折纸链烷。特别地，通过释放互连的金纳米颗粒，可以使各个索烃内的折纸环相对于彼此自由。这项工作将为基于DNA的分子结构的丰富进展奠定基础，这些分子结构具有独特的结构可编程性和明确的拓扑结构。
2021-04-30 physics.bio-ph physics.optics
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
Twist-diameter coupling drives DNA twist changes by salt and temperature
DNA变形在许多生物过程和材料应用中起着至关重要的作用。在DNA变形过程中，DNA结构参数往往表现出非平凡和违反直觉的耦合，如扭曲-拉伸和扭曲-弯曲耦合。在这里，我们揭示了一个意想不到的强大的负扭转直径耦合，通过磁镊实验，原子分子动力学模拟和理论计算的协同作用。在实验中，DNA的扭曲角总是随着NaCl、KCl或RbCl的浓度而增加。我们的模拟定量再现了盐诱导的扭曲变化，并揭示了潜在的物理机制：在高盐浓度下DNA直径的减少导致DNA扭曲角的增加，通过一个强大的负扭曲直径耦合。扭转-直径耦合是由DNA结构中的两个二面角介导的，对于一个碱基对，耦合常数为4.5 kBT/（deg nm）。基于此耦合常数，我们预测了DNA扭曲的温度依赖性，为-0.0102 deg/K/bp，这与我们和以前的实验结果一致。我们的分析表明，扭转直径耦合是一个共同的驱动力，盐和温度诱导的DNA扭曲的变化。
2021-10-07 cond-mat.soft physics.bio-ph
A twist in chiral interaction between biological helices
利用对相互作用势的精确解，我们证明了具有螺旋表面电荷模式的长的刚性手性分子具有优先轴间角~（（RH）^1/2）/L，其中L是分子的长度，R是它们的轴之间的最近距离，H是螺距。基于这个公式的估计提出了一个解决方案的困惑小轴间角在a-螺旋束和DNA的双相。
1999-11-24 physics.bio-ph q-bio
Intrinsic DNA Curvature of Double-Crossover Tiles
一个理论模型，其中考虑到双交叉DNA瓦片的结构畸变进行了研究，以调查其对晶格形成的大小的影响。已经发现，单个矢量适当地描述了瓦片的曲率，其更高的幅度阻碍晶格生长。结合这些计算，简正模式分析表明，具有相对较高频率的瓦片具有类似的效果。所有的理论结果都与实验数据吻合得很好。
2011-05-11 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.chem-ph
Probing the microscopic structure and flexibility of oxidized DNA by molecular simulations
DNA的氧化损伤是分子生物物理学中的一个引人注目的问题，因为它在基因表达的表观遗传控制中起着至关重要的作用，并且被认为与诱变、致癌和衰老有关。为了了解DNA的物理性质的微观结构的变化及其对功能的影响，由于其核苷酸碱基的氧化损伤，我们进行了全原子分子动力学模拟的双链DNA（dsDNA）的鸟嘌呤碱基被氧化。鸟嘌呤碱基的氧化还原电位是所有碱基中最低的，因此更容易受到氧化损伤。我们分析了本地以及全球的本地和氧化的dsDNA的力学性能，并解释了微观结构参数和热力学计算的结果。我们的研究结果表明，氧化损伤的dsDNA不变形的沃森-克里克几何，相反，氧化的DNA结构被发现是更好地通过静电相互作用稳定。此外，氧化损伤改变了双链DNA的机械、螺旋和沟槽参数。天然双链DNA的持久长度、拉伸模量和扭转刚度分别为48.87 nm、1239.26 pN和477.30 pN.nm^2，而当双链DNA的所有鸟嘌呤碱基都被氧化时，这些值分别为61.31 nm、659.91 pN和407.79 pN.nm^2。与整体力学性能相比，发现螺旋和凹槽性能的变化更为突出，集中在局部氧化位点，并导致氧化损伤区域的骨架构象从BI转变为BII。
2022-10-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Molecular simulation analysis of structural variations in lipoplexes
我们使用一个粗粒度的分子模型来研究阳离子和中性脂质与DNA分子的复合物（“lipoplexes”）的自组装过程-一种有前途的非病毒DNA载体用于基因治疗。我们通过直接可视化的分子排列和通过计算相应的散射图来确定所得到的结构。后一种方法提供了一种手段，从X射线散射实验与公布的数据进行比较。与实验结果一致，我们发现，在增加的脂质材料的刚度，系统往往形成层状结构。从层状复合物的散射图中可以提取两个特征距离-层状（层间）间距和每层内的DNA间距。我们发现这两个量的计算值与实验数据之间有很好的一致性[J.O.雷德勒岛Koltover，T. Salditt和C. R. Safinya，Science Vol.275，810（1997）]在实验研究的带电脂质（CL）的摩尔分数的整个范围内。对模拟系统的目视检查表明，对于非常高分数的CL，自发形成由结合到小膜片段的DNA分子组成的无序结构。这些非层状无序复合物的衍射图似乎非常相似的层状结构，这使得解释的X射线数据模糊。层状秩序的损失可能是所观察到的脂质复合物作为基因递送载体在高电荷密度下的效率增加的起源。
2011-03-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Transitions between distinct compaction regimes in complexes of multivalent cationic lipids and DNA
我们使用X射线散射和分子模拟来研究多价阳离子脂质和DNA分子的复合物的结构特性。在低摩尔分数的中性脂质（NL），$Φ_{\rm NL}$，复合物显示出显着的DNA压缩到基本上紧密包装的DNA阵列与DNA轴间距$d_{\rm DNA}=25Å$。$Φ_{\rm NL}$的逐渐增加不会导致$d_{\rm DNA}$的连续增加，如在单价阳离子脂质（CL）的DNA复合物中所观察到的。相反，存在不同的间距制度，它们之间有急剧的过渡。已经确定了三种堆积状态：（i）紧密堆积，（ii）与$d_{\rm DNA}=27-28Å$一起的凝聚但不紧密堆积，和（iii）膨胀状态，其中$d_{\rm DNA}$随着$Φ_{\rm NL}$逐渐增加。基于我们的实验和计算结果，我们得出结论，DNA凝聚是介导的多价阳离子脂质，组装带负电荷的DNA杆之间。计算结果表明，在区域（ii）中，不太紧密堆积的结构比区域（i）中的紧密堆积结构更稳定。因此，在方案（ii）中观察到的恒定DNA间距归因于这种稳定的CL-DNA复合物和中性膜之间的横向相共存。这一发现可以解释这种复合物测量的转染效率降低：转染涉及复合物的内体逃逸和分解，并且这些过程被高热力学稳定性抑制。我们的研究结果，这表明存在的层状CL-DNA复合物的稳定性和转染活性之间的负相关性，因此，与最近提出的细胞进入模型相一致。
2008-03-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Looping and Clustering model for the organization of protein-DNA complexes on the bacterial genome
细菌基因组由各种相关蛋白质组成，称为类核。这些蛋白质可以在DNA上形成复合物，在包括染色体分离在内的各种生物过程中发挥核心作用。一个突出的例子是大型ParB-DNA复合物，它是许多细菌分离机制的重要组成部分。ChIP-Seq实验表明，ParB蛋白定位在ParB特异性结合的DNA上的着丝粒样parS位点周围，并从那里扩散到染色体的大部分。最近的理论和实验研究表明，DNA结合的ParB蛋白可以相互作用，在DNA上凝聚成一个连贯的3D复合物。然而，这种蛋白质-DNA复合物的结构组织仍然不清楚，并且缺乏ParB蛋白在DNA上分布的预测定量理论。在这里，我们提出了循环和聚类（LC）模型，它采用统计物理方法来描述蛋白质-DNA复合物。LC模型解释了DNA环从一簇相互作用的DNA结合蛋白质中的挤出。从概念上讲，蛋白质-DNA复合物的结构是由有吸引力的蛋白质相互作用与该蛋白质-DNA簇的构型熵和环熵之间的竞争决定的。事实上，我们表明，蛋白质的相互作用强度决定了“紧密性”的环状蛋白质-DNA复合物。通过这种方法，我们考虑这样的蛋白质-DNA簇围绕一个单一的高亲和力结合位点的基因组组织。因此，我们的模型提供了一个理论框架，定量计算周围的同源（parS）结合位点的ParB样蛋白的结合曲线。
2017-12-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
