Reactive Molecular Dynamics study on the first steps of DNA-damage by free hydroxyl radicals
本文采用基于键级ReaxFF的大规模分子模拟方法，模拟了电离辐射对溶液中DNA分子的化学反应和损伤。我们说明，随机分布的簇的双原子OH-自由基，是主要产品的兆伏电离辐射在水基系统的主要来源的氢提取，以及形成的羰基和羟基基团的糖部分，在糖环中创建孔。这些空穴在DNA碱基和DNA骨架之间缓慢生长，损伤共同传播到DNA单链和双链断裂。
2011-12-12 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Ion-beam therapy: from electron production in tissue like media to DNA damage estimations
传统上，离子束引起的辐射损伤是在不同层次的理论方法处理，为不同的尺度和机制所涉及的，我们在这里提出的一个组合方法的细节，从一个方法在纳米尺度，试图合并与更高的尺度现有的结果，通过调整分析方法时，扩展到更大的规模，从而产生一个一致的画面的整个过程。结果表明，有可能得到一个很好的协议与宏观尺度的方法，另一方面，产生一个可靠的电子能谱用于DNA损伤估计。
2008-07-16 physics.bio-ph physics.chem-ph
DNA like$-$charge attraction and overcharging by divalent counterions in the presence of divalent co$-$ions
DNA体系的强关联静电引起了许多研究小组的兴趣，特别是多价抗衡离子对DNA的凝聚和过充电。通过添加不同价态和形状的抗衡离子，可以增强或减少DNA过充电。在本文中，我们专注于多价共离子，特别是二价共离子，如SO $_4^{2-}$的效果。用Monte $-$ Carlo方法在巨正则系综下进行了DNA凝聚的计算实验，实验中DNA体系与含有不同价态共离子的盐的混合溶液处于平衡状态.与纯一价共离子体系相比，二价共离子的影响表现在多个方面。二价共离子导致DNA缩合物中单价盐的增加。由于一价盐主要参与体系中静电相互作用的线性屏蔽，更多的一价盐分子进入凝聚体导致屏蔽出短程DNA $-$ DNA类电荷吸引和较弱的DNA凝聚自由能。在二价共$-$离子的存在下，多价抗衡离子对DNA的过充电也减少。与没有二价共离子的情况相比，DNA和二价共离子之间以及二价共离子本身之间的强排斥导致DNA表面附近的负离子的{ \em耗尽}。在大距离下，DNA与$-$的排斥作用在二价co $-$离子存在下更强，说明二价co $-$离子的作用不仅仅是简单的线性屏蔽作用更强。
2017-05-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Molecular rectifiers with very high rectification ratio enabled by oxidative damage in double-stranded DNA
在这项工作中，我们报告了一种新的策略，利用氧化损伤的DNA分子构建分子二极管，其记录可调谐整流比高达10^6。暴露于几种内源性和外源性事件，DNA遭受持续的氧化损伤，导致鸟嘌呤氧化为8-氧代鸟嘌呤（8 oxoG）。在这里，我们研究的本地和氧化损伤的DNA的电荷迁移特性，使用多尺度多构型的方法，包括分子动力学，密度泛函理论和动力学蒙特卡罗模拟。我们进行了全面的研究，以了解不同浓度和位置的8 oxoG在dsDNA序列上的CT性能的影响，并发现可调整流器的性能具有潜在的应用在分子电子学，如分子开关和分子整流器。我们还发现了全氧化Drew-Dickerson序列的负微分电阻特性。8 oxoG鸟嘌呤的存在导致电荷的捕获，从而作为电荷槽，这揭示了氧化鸟嘌呤如何使基因组的其余部分免于进一步的氧化损伤。
2022-02-27 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Low energy electron scattering from DNA and RNA bases: shape resonances and radiation damage
进行计算，以确定弹性散射截面和共振能量的低能量电子的影响尿嘧啶和每个DNA碱基（胸腺嘧啶，胞嘧啶，腺嘌呤，鸟嘌呤），孤立的分子在其平衡几何形状。我们的计算与现有的理论和实验进行了比较。我们还试图通过分析形状共振中电子捕获形成的临时阴离子结构，将这些信息与实验解离模式相关联。
2005-07-16 physics.bio-ph physics.chem-ph
Ion-induced electron production in tissue-like media and DNA damage mechanisms
提出了一种计算离子/质子在类组织介质中产生的次级电子特性的包容性方法。这种方法是基于在微观水平上的弹丸与介质的相互作用的分析。它使我们能够获得能谱和次级电子的丰度作为函数的弹丸动能。在此分析中获得的物理信息与负责由抛射体引起的不可重复的DNA损伤的生物过程有关。特别地，我们考虑由次级电子和自由基引起的DNA双链断裂，以及离子轨道中的局部加热。加热可以增强电子/自由基与DNA相互作用的生物学有效性，甚至可以被认为是DNA损伤的独立机制。碳离子束的情况下进行数值估计。将得到的剂量-深度曲线与基于GEANT 4工具包的MCHIT模型的结果进行了比较。
2008-07-07 physics.bio-ph physics.chem-ph
On the biophysical interpretation of lethal DNA lesions induced by ionizing radiation
虽然DNA损伤被广泛认为是电离辐射诱导细胞杀伤的关键靶点，但导致这些效应的DNA损伤的确切性质尚不清楚。为了解决这个问题，形成致命损伤的概率由单质子轨道，来自中国仓鼠V79细胞的生存数据，由能量为0.57至5.01 MeV的质子照射，已被比较的估计产量的簇状DNA损伤和修复结果计算与蒙特卡罗模型。报道的研究提供了新的信息，诱导和修复成簇的DNA损伤和趋势之间的潜在关系的预期数量的致命事件的质子增加线性能量转移（LET）。一个很好的相关性被发现在V79细胞中的致死事件的数量和诱导的双链断裂（DSB）组成的3个或更多的基本DNA损伤。对于其他类型的DNA损伤的产量，以及通过碱基损伤和单链断裂的错误修复形成的点突变，观察到的趋势与增加LET的产量的趋势不一致的致命事件。这一观察结果表明，不同质量的质子的相对生物有效性（RBE）可能与复杂DSB的诱导更为密切相关，而不是其他形式的损伤。
2006-06-06 physics.bio-ph q-bio.QM
Spin-blockade effect and coherent control of DNA-damage by free radicals: a proposal on bio-spintronics
研究了OH自由基与DNA分子自旋三重态相互作用的相干控制。建立了分子自旋单重态-三重态共振的模型哈密顿量。我们说明，在DNA分子中的自旋三重态可以有效地填充，作为自旋注入率可以被调谐到的数量级大于由于有机分子中的小自旋轨道耦合的衰变率。由于OH自由基的寿命为纳秒级，注入的自旋三重态诱导的非平衡自由能垒在室温下持续约1微秒以上，可以有效地阻止初始的夺氢和DNA损伤。为了直接证明自旋阻滞效应，部署了基于{ \em ab-initio} Car-Parrinello分子动力学的分子模拟。
2011-12-12 physics.bio-ph physics.chem-ph
Lethal DNA damages caused by ion-induced shock waves in cells
本研究通过多尺度方法和反应性分子动力学模拟，揭示高LET离子诱导的冲击波对DNA产生热机械应力，是复杂致死性损伤的主要机制，单个离子即可致死细胞。
2021-09-05 physics.atom-ph physics.bio-ph physics.chem-ph
A DNA damage multi-scale model for NTCP in proton and hadron therapy
{ \bf用途}：为质子和一般粒子治疗的正常组织并发症概率（NTCP）开发第一原理和多尺度模型，其目标是将纳米尺度放射化学纳入宏观尺度细胞生物学途径，从初始DNA损伤到组织晚期效应。{ \bf方法}：该方法是分析和多尺度计算步骤的组合，包括（1）推导NTCP对DNA驱动的细胞致死率的功能依赖性（以纳米为单位），并映射到剂量和LET（以毫米为单位），以及（2）对基于辐射后图像变化生成的Monte Carlo数据集进行3D表面拟合，并收集了通过扫描质子束治疗室管膜瘤的14名儿科患者的队列。我们对基于体素的剂量和与NTCP坏死发展相关的LET进行了分类。{ \bf结果}：我们的模型与放射后组织毒性和坏死的临床数据拟合良好。拟合过程导致提取{ \it vivo}放射生物学$α$ - $β$指数及其数值。{ \bf讨论和结论}：本工作中探索的NTCP模型允许将组织毒性与DNA初始损伤、细胞致死率以及辐射、剂量和LET的性质和质量相关联。
2020-01-07 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.data-an
A molecular dynamics simulation of DNA damage induction by ionizing radiation
我们提出了一个多尺度模拟的早期阶段的DNA损伤的间接作用的羟基（$^\bullet$ OH）自由基产生的电子和质子。计算方法包括将Geant 4-DNA Monte Carlo与ReaxFF分子动力学软件连接。采用聚类方法将从电离轨道结构中提取的$^\bullet$ OH自由基的坐标映射到填充有DNA和水分子的纳米模拟体素上。分子动力学模拟提供了单个模拟体素中的时间演化和化学反应以及DNA- $^\bullet$ OH化学反应的能量-景观，该能量-景观对于氢提取、化学键断裂和由小于约2-3 μ m的临界尺寸的簇中的离子的收集引起的DNA损伤的第一原理计数是必不可少的。我们发现，断裂键的形成导致DNA碱基和主链损伤，这些损伤共同传播到DNA单链和双链断裂。为了说明该方法，我们集中在粒子的初始能量为1兆电子伏。我们的研究揭示了低能电子和质子引起的DNA损伤的质的差异。电子主要产生$^\bullet$ OH自由基的小口袋，随机分散在细胞体积中。相比之下，质子沿着平行于粒子方向的直线产生更大的团簇。在线性标度范围内，由单个质子和电子径迹引起的总DNA双链断裂的比率被确定为$\approx$ 4。在这项工作中开发的工具可以在未来用于研究放射治疗中使用的轻离子和重离子的相对生物学有效性。
2013-09-02 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Competition between condensation of monovalent and multivalent ions in DNA aggregation
我们讨论了高电荷的PE周围的离子的分布时，有一价和多价离子之间的竞争，指出在这种情况下，凝聚离子的数量是敏感的短程相互作用，盐，和模型依赖的近似。这种敏感性的背景下讨论了最近的实验中诱导的多价抗衡离子，如精胺和亚精胺的DNA聚集。
2004-07-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Ion irradiation induced direct damage to DNA
离子束在放射性育种、保健、肿瘤治疗等生物学研究领域有着广泛的应用。到目前为止，在生物学和农业方面已经取得了许多令人感兴趣和印象深刻的成就。在过去的几十年里，生物学、物理学和化学领域的科学家一直致力于研究离子束辐射生物学效应的机制。从化学的角度来看，这些效应是由于离子辐照引起的生物分子损伤，直接或间接的。在这篇综述中，我们将提出一个化学概述的离子辐照后的DNA及其组分的直接影响，结合最近的实验结果的文献综述。在离子轰击下，DNA分子经历了自由基形成、原子位移、分子内键断裂、碎片发射、碎片重组和分子交联等过程，这些过程可能导致基因突变或细胞死亡。这将有助于理解离子辐照引起的辐射生物学效应的机制，如辐射育种和肿瘤治疗。
2008-07-01 physics.bio-ph physics.chem-ph
Detailed analysis of the cell-inactivation mechanism by accelerated protons and light ions
发表的存活数据V79细胞照射单能质子，氦-3，碳，氧离子和CHO细胞照射碳离子进行了分析，使用概率两阶段模型的细胞失活。已经区分了三种不同类型的DNA损伤，即可能直接导致细胞失活的严重单轨道损伤，由它们的组合引起细胞失活的不太严重的损伤，以及可以容易地修复的可忽略不计的严重性损伤。单离子形成这些损害的概率已被评估依赖于它们的线性能量转移（LET）值。损伤诱导几率随原子序数和LET的增大而增大。虽然组合损伤在低LET值下起着至关重要的作用，但在高LET区域，单轨损伤占主导地位。质子的单轨道致命损伤的产量进行了比较与Monte Carlo估计的复杂的DNA病变，表明致命的事件与复杂的DNA双链断裂。LET以上质子的单径迹损伤概率的降低约。30 keV/$μ$ m，建议有限的实验证据，进行了讨论，以及随之而来的质子和较重的离子之间的生物效应的机制的差异。应用强子治疗的治疗计划的结果进行了概述。
2005-09-07 physics.bio-ph physics.med-ph
In Situ Observation of Proton-Induced DNA Fragmentation in the Bragg Peak: Evidence for a Protective Role of Water
本研究通过原位单分子测量和实时荧光追踪，发现布拉格峰附近含水DNA的质子诱导双链断裂截面比干燥DNA低十倍，证实水的保护作用，为放射生物学和质子治疗建模提供依据。
2025-10-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.ins-det
Effect of magnesium ions on dielectric relaxation in semidilute DNA aqueous solutions
用介电谱研究了Mg ~（2+）对半稀释DNA水溶液介电弛豫的影响。De Gennes-Pfeuty-Dobrynin半稀释溶液相关长度是足够低浓度的添加盐的相关基本长度尺度，描述了Mg-DNA溶液的集体性质。在低DNA浓度下没有检测到导致暴露的疏水核心结垢的DNA变性气泡的松弛指纹，因此表明与Na-DNA溶液的情况相比，Mg-DNA溶液中的双链构象的稳定性增加。在与单分子DNA性质有关的基本长度尺度的行为中检测到一些变化，反映了Odijk-Skolnick-Fixman类型的修改的静电屏蔽效应。所有结果一致地表明，Mg 2+离子与DNA以与Na 1+离子类似的方式相互作用，它们的作用主要通过增强筛选来描述。
2013-11-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Effect of intense, ultrashort laser pulses on DNA plasmids in their native state: strand breakages induced by {\it in-situ} electrons and radicals
在暴露于强度为1-12 TW cm $^{-2}$的超短激光脉冲（820 nm波长，45 fs脉冲持续时间，1 kHz重复率）产生的强场的水性介质中，DNA质粒pBR 322和pUC 19中诱导单链断裂。强场产生{ \it in situ}电子和自由基，其诱导超螺旋DNA转化为松弛DNA，其程度被量化。引入电子和自由基清除剂抑制DNA损伤;结果表明，OH自由基是DNA损伤的主要（但不是唯一）原因。
2011-02-15 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.med-ph
Integrating nano- and micrometer-scale energy deposition models for mechanistic prediction of radiation-induced DNA damage and cell survival
本文提出整合GSM2微剂量学模型与MINAS-TIRITH纳米损伤模拟工具，并用DBSCAN聚类DSB，实现从纳米到微米尺度的辐射DNA损伤与细胞存活机制预测，经实验验证具有高准确性，可用于生物优化放疗。
2025-07-17 physics.bio-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
Nickel (II) Ions Interaction with Polynucleotides and DNA of Different GC Composition
这项工作的目的是研究GC替代二聚体在DNA与Ni（II）离子结合中的作用。采用紫外差光谱法研究了Ni（Ⅱ）离子与产气荚膜梭菌、小鼠肝（C3 HA系）、小牛胸腺、鲑鱼精子、鲱鱼精子、大肠杆菌、藤黄微球菌等组织中DNA及多聚核苷酸Poly（dA-dT）xPoly（dA-dT）、Poly（dG）xPoly（dC）、Poly（dG-dC）xPoly（dG-dC）的相互作用。结果表明，Ni（II）离子在大沟一侧与DNA双螺旋的外球结合选择了更稳定的二聚体3 ^'-C-G-5^'。. 5 ^'-G-C-3^'并与二聚体中两个鸟嘌呤的N7原子结合，形成G-G链间交联。它直接与沃森-克里克错对型点缺陷（产生罕见的酮-烯醇和氨基-亚氨基互变异构形式）和脱嘌呤化的形成过程相关。
2009-12-24 physics.bio-ph
A spatial measure-valued model for radiation-induced DNA damage kinetics and repair under protracted irradiation condition
在目前的工作中，我们开发了一个通用的空间随机模型来描述辐射诱导的DNA损伤的形成和修复。该模型在数学上被描述为基于测量值粒子的随机系统，并在几个方向上扩展了Cordoni et.al. 2021，Cordoni et.al. 2022 a，Cordoni et.al. 2022 b中开发的模型。在这个新的空间公式中，辐射诱导的细胞核DNA损伤可以通过不同的途径进行修复或导致细胞失活。这项工作的主要新颖之处是严格定义了一个空间模型，该模型考虑了病变和持续延长照射的成对相互作用。前者从生物学的角度来看是相关的，因为簇状病变不太可能被修复，从而导致细胞失活。后者描述了连续辐射场对生物组织的影响。我们证明了上述随机系统解的存在唯一性，刻画了其概率性质。我们进一步耦合的模型描述的生物系统的一组反应扩散方程与随机不连续的化学环境的模型。最后，我们研究了该过程的大系统极限。所开发的模型可适用于不同的情况，其中放射治疗和空间辐射防护最为相关。此外，衍生的生化系统可以在理解一种非常有前途的新型放射治疗方式中发挥关键作用，该放射治疗方式在社区中被命名为FLASH放射治疗，其机制目前在很大程度上尚不清楚。
2023-03-26 math.PR physics.bio-ph
Compound Poisson Statistics and Models of Clustering of Radiation Induced DNA Double Strand Breaks
根据实验证据，高密度电离辐射在哺乳动物细胞中引起的损伤以簇的形式沿着DNA分子分布。DNA损伤的最关键组成部分是双链断裂（DSB），当断裂发生在两条DNA链中时形成，并且直接相对或仅由几个碱基对分开。本文从复合泊松过程的角度讨论了DSB成簇形成的模型，并对该模型在实验数据中的应用进行了预测分析。
2000-11-29 physics.bio-ph physics.data-an q-bio
Multiscale approach to the physics of radiation damage with ions
多尺度的方法来评估的生物损伤后，照射的生物介质与离子的审查，解释和其他方法相比。离子在介质中的传播过程与分子的电离和激发、次级产物的运输、介质的动力学以及生物损伤同时发生在许多不同的时间、空间和能量尺度上。多尺度方法是一种基于物理现象的对导致辐射损害的情景的分析，旨在考虑各种尺度上的所有相关影响，并制定一种对离子辐照造成的生物损害进行定量评估的方法。本文介绍了离子辐射损伤的基本概念，概述了离子辐射损伤的主要组成部分，并将多尺度方法应用于不同的实验条件。在此经验的基础上，制定了应用多尺度方法的处方。该配方导致相对生物有效性的计算。
2013-12-03 physics.bio-ph
Mechanism of cell inactivation by different ions: Damage induction probabilities per single tracks
利用概率两阶段放射生物学模型，通过分析已发表的细胞存活数据，详细研究了质子和轻离子辐照的生物效应。单离子轨道诱导不同严重程度的病变的概率已被评估依赖于其线性能量转移（LET）。结果和解释方面的$Z_{eff}^2/β^2$（有效电荷速度平方）进行了讨论。
2006-06-06 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.QM
Double-Strand Break Clustering: An Economical and Effective Strategy for DNA Repair
本研究利用Dragonfly显微镜和蒙特卡洛模型，揭示了非特异性诱导的DNA双链断裂（DSB）的时空簇集规律及53BP1的相分离作用，为DNA修复机制研究和疗法改进提供新见解。
2024-10-04 physics.bio-ph q-bio.BM
Thermodynamics of site-specific small molecular ion interactions with DNA duplex: a molecular dynamics study
双链DNA（dsDNA）的稳定性和动力学受到小分子单价离子的优先占据的影响。小的金属离子和分子离子如钠和烷基铵在人体内具有重要的生物学功能，影响双链DNA的热力学稳定性并表现出优先结合。本文采用原子分子动力学模拟研究了金属离子（如Na+）和分子离子（如四甲基铵（TMA+）和2-羟基-N，N，N-三甲基乙铵（CHO+））与双链DNA的优先结合。特定分子离子- DNA相互作用的热力学驱动力是通过将结合自由能分解为熵和熵贡献来确定的。我们的模拟表明，这些分子离子中的每一个优先结合到DNA的小沟和结合的程度是最高的CHO+。离子结合过程被发现是熵有利的。此外，还研究了疏水效应对熵稳定化的贡献（在TMA+的情况下）和氢键作用对熵稳定化的贡献（在CHO+的情况下）。
2015-08-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
A TDDFT-based Study on the Proton-DNA Collision
从强子疗法到航空航天工业，重带电粒子与DNA的相互作用在几个领域都引起了人们的兴趣。本文对4 keV质子与分离的DNA碱基对的相互作用进行了TD-DFT研究。Escherichfest动力学被用来研究质子撞击期间和之后系统的演化，直到大约193 fs。这个时间足够长，可以观察到目标的解离，其发生在80-100 fs之间。通过固定负责连接的四个O3'原子来模拟碱基对连接到DNA双螺旋的效果。碱基对倾向于解离成其主要成分，即磷酸基团、糖和含氮碱基。能量转移为17.9 eV的中心碰撞仅产生基础损伤，同时保持骨架完整。以约60 eV的能量转移对磷酸基团的影响导致该位点处的骨架断裂以及碱基损伤，而在这种情况下保持相反的骨架位点完整性。由于整个系统在这样的碰撞中受到扰动，没有原子保持被动。这些结果表明，碱基损伤伴随着所有的主链断裂，因为将碱基保持在一起的氢键比DNA的其他组分之间的氢键弱得多。
2019-05-09 physics.bio-ph physics.chem-ph
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
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
The role of correlation and solvation in ion interactions with B-DNA
核酸周围的离子气氛在生物功能中起着重要作用。大规模的显式溶剂模拟加上实验分析，如异常小角X射线散射（ASAXS）可以提供重要的见解，这种气氛的结构和能量，但时间和资源密集型。在本文中，我们使用经典的密度泛函理论（cDFT）探索离子之间的平衡，离子-DNA，离子-水，离子-离子之间的相互作用在离子气氛中的RbCl，SrCl $_2$，和CoHexCl $_3$（钴六氨氯化物）周围的B-型DNA分子。通过模拟和实验ASAXS曲线之间的比较来评估cDFT计算的准确性，表明准确的模型应考虑离子-离子相关性和离子水合力、DNA拓扑结构以及DNA链上电荷的离散分布。正如预期的那样，这些计算揭示了DNA周围单价、二价和三价阳离子分布之间的显著差异。大约一半的DNA结合的Rb $^+$离子渗透到DNA的小沟中，一半吸附在DNA链上。对于较大的Sr $^{2+}$离子，小沟中的阳离子分数降低，对于CoHex $^{3+}$离子，小沟中的阳离子分数变为零，它们都吸附在DNA链上。CoHex $^{3+}$离子的分布主要由库仑和空间相互作用决定，而离子相关力在单价Rb $^+$分布中起核心作用，离子相关力和水合力的组合影响DNA周围的Sr $^{2+}$分布。
2015-12-06 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Impact of Oxygen on DNA Damage Distribution in 3D Genome and its Correlation to Oxygen Enhancement Ratio after High-LET Irradiation
Department of Engineering Physics, Tsinghua University（清华大学工程物理系）；Key Laboratory of Particle & Radiation Imaging, Tsinghua University, Ministry of Education（教育部粒子与辐射成像重点实验室）；Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics（中国工程物理研究院流体物理研究所）
通过将氧气反应概率集成到径迹结构蒙特卡洛模拟中，研究氧气对3D基因组内DSB分布的影响，发现簇状DSB在TAD内的发生率与OER趋势一致，为高LET下OER变化提供机制解释。
2026-06-11 physics.bio-ph physics.med-ph
Competitive Effects of 2+ and 3+ Cations on DNA Compaction
利用荧光显微镜观察单个DNA，观察了二价和三价阳离子对巨型DNA（166 kbp的T4 DNA）高阶结构的影响。发现二价阳离子如Mg（2+）和Ca（2+）抑制由三价阳离子亚精胺（SPD（3+））诱导的DNA压缩。另一方面，在没有SPD（3+）的情况下，二价阳离子导致DNA收缩。这些实验观察结果与关于反离子屏蔽效应的公认的Debye-Huckel方案不一致，该方案被给出为具有不同价态的阳离子贡献的加和性。我们解释了2+和3+阳离子之间的竞争的反离子的平移熵的变化之前和之后的DNA的折叠转变。对于SPD（3+）的压缩，我们考虑了由于3+阳离子对凝聚在高电荷双链DNA上的固有单价阳离子的离子交换而导致的平移熵的增加。相反，2+阳离子的存在降低了由于单价离子和3+离子之间的离子交换而导致的熵增益。
2016-01-07 physics.bio-ph
dsDNA persistence length with divalent ions
本研究使用系留粒子运动技术测量双链DNA在单价和二价盐下的持久长度，验证了Trizac和Shen提出的理论公式，发现镁离子的位点特异性结合导致拟合DNA半径小于几何半径。
2023-06-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Modeling the effect of ion-induced shock waves and DNA breakage with the reactive CHARMM force field
离子诱导的DNA损伤是离子束治疗癌症的重要效应。本文介绍了一种模拟离子冲击波对DNA损伤的方法。具体而言，它演示了如何在DNA分子中的单链和双链断裂可以描述的反应CHARMM（rCHARMM）力场中实施的程序MBN Explorer。执行冲击波模拟的整个工作流程，包括获得关键的模拟参数，分为七个步骤。两个示例性的分析提供了一个案例研究模拟服务（i）量化的冲击波的传播和（ii）描述的动态形成的DNA断裂。最后，本文讨论了模拟的计算成本，并揭示了不同的模拟设置可能的最大计算时间。
2021-07-08 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Onset of DNA Aggregation in Presence of Monovalent and Multivalent Counterions
我们从理论上解决了多价多胺，如精胺和亚精胺的DNA片段的聚集。在实验中，聚集发生在多价离子的某一阈值浓度以上。我们证明，这个阈值对DNA浓度的依赖关系有一个简单的形式。当DNA浓度c_DNA小于单价盐浓度时，阈值多价离子浓度线性地依赖于c_DNA，具有α c_DNA + β的形式。系数α和β与孤立的DNA链周围的多价抗衡离子的密度分布有关，在它们聚集的开始。这一分析与最近在精胺存在下对DNA聚集的详细测量非常一致。从实验数据的拟合，每个DNA链的凝聚的多价抗衡离子的数量可以推断。然后可以得出一些其他结论：i）在聚集开始时凝聚的精胺离子的数量随着单价盐的加入而减少; ii）泊松-玻尔兹曼理论高估了在高单价盐浓度下凝聚的多价离子的数量; iii）我们对数据的分析表明，在聚集开始时精胺没有过度补偿DNA电荷。
2003-08-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Modelling the mechanism of cell inactivation by light ions at different energy values
质子和轻离子在放射治疗中的有效应用，相应的放射生物学机制的详细知识和现实的模型是必要的。该机制的基本特征已表示在概率两阶段模型。区分了单个粒子穿越后立即发生的过程和细胞对所有粒子形成的总损伤的反应。该模型还涉及DNA损伤形成和修复过程的概率描述。
2004-10-19 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.QM
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
Dependence of DNA persistence length on ionic strength and ion type
尽管双链DNA的持续长度$L_P$在细胞生物学和纳米技术中起着关键作用，但其对离子强度$I$的依赖性缺乏一致的描述。使用高通量单分子技术和统计物理建模，我们测量$L_P$在单价（Li $^+$，Na $^+$，K $^+$）和二价（Mg $^{2+}$，Ca $^{2+}$）金属和烷基铵离子的存在下，在大范围内0.5 mM $\leq I\leq 5$ M。我们表明，线性德拜-休克尔型理论甚至不能描述这些数据的一部分。相比之下，Netz-Orland和Trizac-Shen公式，两个近似理论，包括非线性静电效应和有限的DNA半径，适合我们的数据与二价和一价离子，分别在整个$I$范围。此外，与高$I$下的烷基铵单价离子相反，金属离子类型不影响$L_P(I)$。
2018-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Diffraction in low-energy electron scattering from DNA: bridging gas phase and solid state theory
利用高质量的气相电子散射计算和多重散射理论，我们试图深入研究凝聚相中二次低能电子对DNA的辐射损伤，弥补气相理论和实验之间的空白.的起源不同的共振功能（所产生的单分子或衍射）进行了讨论，并与现有的实验在薄膜的计算进行比较。
2007-10-15 physics.bio-ph physics.chem-ph
Effect of intense, ultrashort laser pulses on DNA plasmids in their native state: strand breakages induced by {\it in-situ} electrons
在水介质中，通过强度为1 - 12 TW cm $^{-2}$的强超短激光脉冲（820 nm波长，45 fs脉冲持续时间，1 kHz重复率）在DNA质粒pBR 322和pUC 19中诱导单链断裂。强激光辐射产生{\it in situ}电子，其诱导超螺旋DNA转化为松弛DNA。电子介导的DNA结构的松弛的程度是量化的。电子和自由基清除剂的引入抑制DNA损伤。
2010-06-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Forster Resonance Energy Transfer and Laser Fluorescent Analysis of Defects in DNA Double Helix
实时激光诱导荧光光谱用于DNA双螺旋缺陷的微分析。该方法基于嵌入剂-供体对（吖啶橙作为供体，溴化乙锭作为受体）中的福斯特共振能量转移（FRET）。过渡金属离子（例如Cu（II）、Cu（I）、Ag（I）、银纳米颗粒（AgNP））、光效应和热效应被用来引起DNA中的双螺旋缺陷。在背景电解质溶液（0.01 M NaNO_3）中实验估计了FRET半径，其值为3.9 ± 0.3 nm，与理论计算值Ro = 3.5 ± 0.3 nm符合良好。以相对单位估计暴露于Cu（II）、Cu（I）、Ag（I）离子、AgNPs冲击以及激光照射（λ = 457 nm）和温度的DNA位点的浓度，其适用于嵌入。FRET方法允许估计双螺旋区域的浓度，具有高质量的稳定性，适用于在DNA受到应力效应后嵌入DNA。它提供了比较1）不同来源的DNA; 2）具有不同损伤程度的DNA; 3）处于各种功能状态的DNA的机会。
2013-06-07 physics.bio-ph
Ion irradiation and biomolecular radiation damage II. Indirect effect
据报道，电离辐射对活细胞基因组的损伤约有三分之一是直接的，三分之二是间接的。前者已在我们的上一篇论文中介绍，涉及直接的能量沉积和电离反应的生物分子;后者的结果从辐射诱导的活性物种（主要是自由基）在介质（主要是水）周围的生物分子。本文综述了离子注入在水中引起自由基形成的研究进展。然后对DNA、蛋白质及其组分的水溶液自由基反应化学进行了综述，并对二次粒子（离子和电子）引起的生物分子损伤作了简要介绍。还讨论了一些下游生物效应。
2010-04-26 physics.bio-ph
Point Defects in Double Helix Induced by Interaction of Silver Nanoparticles with DNA
采用分光光度法、荧光光谱法和差示扫描量热法研究了DNA-银纳米粒子（AgNPs）配合物与H3 O+、Cu 2+和Cl-的相互作用。结果表明，DNA是一种催化剂，在氧化还原反应发生在吸附在其表面上的银纳米粒子。我们还证明了在纳米颗粒腐蚀后释放的Ag+离子显示出吸收到DNA双螺旋的内部，即它们在DNA的互补碱基对之间形成所谓的交联。交联存在DNA的点缺陷，其导致体内细胞死亡。
2012-06-21 physics.bio-ph
On the role of intrinsic noise on the response of the p53-Mdm2 module
蛋白质p53在保护人类细胞中的基因组完整性方面具有公认的作用。当DNA被损伤时，p53诱导细胞周期停滞以防止损伤传递到细胞后代，触发用于DNA修复的蛋白质的产生并最终引起细胞凋亡。特别是，p53-Mdm 2反馈回路似乎是细胞对损伤的这种反应的关键回路。多年来，基于对细胞群体的测量，人们认为p53-Mdm 2反馈回路是DNA损伤后p53和Mdm 2水平存在阻尼振荡的原因。然而，最近对单个人类细胞的测量表明，即使在没有压力的情况下，p53及其调节因子Mdm 2也会在长时间内产生持续的振荡。这些结果吸引了很多人的兴趣，首先是因为它们打开了一个新的实验框架来研究p53及其相互作用，其次是因为它们用新的和准确的单细胞数据挑战了多年的数学模型。受这些实验的启发，对p53-Mdm 2电路的标准模型进行了修改，引入了一些特定的生物动机噪声，这些噪声对振荡的稳定性负责。在这里，我们遵循另一种方法，提出稳定波动的噪声是由于单个细胞中p53和Mdm 2群体的有限性而引起的固有噪声。
2012-11-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.MN
Physics of ion beam cancer therapy: a multi-scale approach
我们提出了一个多尺度的方法来了解物理相关的离子束癌症治疗。它允许计算DNA损伤的概率，作为组织的高能离子照射的结果，高达430 MeV/u。这种方法涵盖了不同的尺度，从大尺度开始，由离子停止定义，然后是较小的尺度，由次级电子和自由基定义，并以最短的尺度结束，由次级电子与DNA的相互作用定义。我们提出了计算的DNA单链和双链断裂的概率，提出了一种方法，以进一步扩大这种计算，并暴露于辐射的神经胶质细胞也作出了一些估计。
2008-11-06 physics.bio-ph physics.med-ph
Dependence of DNA persistence length on ionic strength of solutions with monovalent and divalent salts: a joint theory-experiment study
使用高通量系留粒子运动单分子实验，在具有不同离子强度$I$的Na $^+$和Mg $^{2+}$离子的溶液中测量双链DNA持续长度$L_p$。$L_p(I)$的几个理论方程与实验数据相拟合，但没有发现适合两种离子价态的所有$L_p$值的决定性理论。适当提取的粒子轨迹使用模拟，$L_p$变化从30纳米到55纳米，并与以前的实验结果进行了比较。对于Na $^+$唯一的情况下，$L_p$是一个递增的凹函数的$I^{-1}$，很好地拟合曼宁的静电拉伸方法，但不是经典的Odjik-Skolnick-Fixman理论与或没有反离子凝聚。随着加入镁$^{2+}$离子，$L_p$显示出显着的下降，在低$I$，解释为离子-离子相关效应，在$I^{-1}$几乎线性的法律，拟合提出的变分方法。
2015-04-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Sparing of DNA irradiated with Ultra-High Dose-Rates under Physiological Oxygen and Salt conditions
本研究首次在生理氧和盐条件下观察到超高剂量率照射对质粒DNA的sparing效应，并提出了基于氧与羟基自由基相互作用的模型来解释该现象。
2025-10-17 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.med-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
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
Spontaneous curvature-induced dynamical instability of Kirchhoff filaments: Application to DNA kink deformations
采用具有自发曲率的细丝的基尔霍夫弹性理论来理解在短DNA环中观察到的扭结转变的发生。动力学分析表明，当它的实际曲率小于由自发曲率确定的某个阈值时，环形DNA将开始弯曲成其他形状。通过动力学不稳定性分析确定了DNA的主要形变模式，定性讨论了Zn $^{2+}$和Mg $^{2+}$离子对DNA构型性质的不同影响.
1998-10-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
DNA end tethering through break-induced DNA--protein condensation
Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Technische Universität Dresden（德累斯顿工业大学）；Biotechnology Center, Center for Molecular and Cellular Bioengineering, Technische Universität Dresden（德累斯顿工业大学生物技术中心分子与细胞生物工程中心）；Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics（马克斯·普朗克细胞生物学与遗传学研究所）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）；Cluster of Excellence Physics of Life, Technische Universität Dresden（德累斯顿工业大学“生命物理学”卓越集群）
本研究提出断裂诱导的蛋白质状态转换驱动局部DNA-蛋白质凝聚，通过布朗动力学模拟和理论分析揭示聚合物弛豫与凝聚动力学的竞争机制，实现断裂DNA末端的可靠拴系。
2026-05-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Ion-Modulated Polyelectrolyte Complexation of DNA and Polyacrylic Acid from Molecular Dynamics Simulations
The Cyprus Institute（塞浦路斯研究所）；University of Crete（克里特大学）；Foundation for Research and Technology Hellas（希腊研究与技术基金会）；University of Vienna（维也纳大学）
研究通过分子动力学模拟揭示了不同离子对DNA与PAA复合物稳定性及结构的影响，发现Ca2+促进持久结合，Mg2+介导较弱的瞬时相互作用，Na+则仅起静电屏蔽作用。
2026-01-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
Nature of frontier quasi-particle states in nitrogen-base systems
Chalmers University of Technology（查尔姆斯理工大学）
本研究利用AHBR-mRSH*泛函分析DNA中准粒子态的性质，揭示其在DNA反应性和光物理活动中的作用。
2025-11-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Advanced Raman spectroscopy detection of oxidative damage in nucleic acid bases: probing chemical changes and intermolecular interactions in guanosine at ultralow concentration
DNA/RNA合成前体特别容易受到氧化应激后发生的活性氧引起的损伤。鸟苷三磷酸是普遍存在的氧化核位点，其可在复制过程中被错误掺入，导致突变和细胞死亡。在这里，我们提出了一种基于显微拉曼光谱并结合从头算计算的新方法，用于识别、检测和定量低浓度的氧化核苷酸。我们还表明，太赫兹光谱范围内的拉曼特征（< 100 cm $^{-1}$）包含有关四分体中鸟嘌呤分子间组装的信息，这可以进一步提高氧化损伤检测限。最后，我们提供的证据表明，类似的分析可以进行在非常小的体积在非常低的浓度，通过利用表面增强拉曼散射结合适当设计的超疏水基板的高灵敏度的样品。这些结果为采用这种先进的光谱方法定量检测细胞中核苷酸的氧化损伤铺平了道路。
2021-03-17 physics.bio-ph physics.chem-ph
