The Role of Nucleobase Interactions in RNA Structure and Dynamics
在RNA三维结构中观察到的相互作用的复杂网络通常根据多种几何性质来描述，包括螺旋参数、碱基配对/堆叠、氢键和骨架构象。我们表明，一个简单的分子表示组成的一个定向珠每个核苷酸可以解释RNA的基本结构特性。在这个框架中，典型的沃森-克里克，非沃森-克里克碱基配对和碱基堆积相互作用可以明确地确定在一个定义良好的相互作用壳。我们通过执行两个独立的，互补的测试来验证这种表示。首先，我们用它来构建一个序列独立的，基于知识的评分功能的RNA结构预测，这是有利的完全原子，国家的最先进的技术相比。其次，我们定义了一个度量来测量RNA结构之间的偏差，该偏差直接报告碱基-碱基相互作用网络中的差异。这个度量的有效性进行测试的能力，区分结构和动力学遥远的RNA构象，执行更好的标准技术相比。总而言之，我们的结果表明，这种极简的、以核碱基为中心的表示捕捉了与描述RNA结构和动力学相关的主要相互作用。
2014-10-06 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
From Nucleobases to DNA: Clustering-Triggered Emission and Pressure-Induced Emission Enhancement
该研究针对现有DNA光物理认知的不足，揭示了DNA聚集态激发依赖发射与固态室温磷光的簇集触发发射机制，并通过高压实验实现发光显著增强，为核酸基发光材料开发提供了新路径。
2025-10-28 physics.chem-ph
Synthetic Hachimoji DNA Sequencing with Graphene Nanodevice
基于结合密度泛函理论和非平衡格林函数量子输运研究，我们证明了置于氧封端的锯齿形石墨烯纳米电极之间的Hachimoji合成核酸的横向电导的量子干涉效应。我们推测QI效应可以很好地保留在核碱基分子和碳基纳米电极之间的π-π偶联中。我们的研究表明，QI效应，如反共振或Fano共振，影响横向电导的变化取决于核碱基的构象。此外，观察到高达2-5个数量级的变化，在旋转后的所有核碱基的电导。的电流-电压特性的结果表明，在整个拟议的纳米间隙设备的电子隧穿电流与所施加的偏置电压的所有五个碱基的明显变化。不同的旋转角度保持了碱基在横向电导和隧穿电流方面的独特特征。这两个特征都可以用于精确的合成DNA测序装置中。
2022-03-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph
Electron Attachment to DNA: The Protective Role of Amino Acids
本文以胞嘧啶为模型，利用运动方程耦合簇理论揭示组蛋白氨基酸通过门户态与物理屏蔽机制保护DNA核碱基、抑制糖—磷酸键断裂。
2022-09-11 physics.chem-ph
Femtosecond Intersystem Crossing in the DNA Nucleobase Cytosine
采用从头算分子动力学方法，包括非绝热耦合和自旋轨道耦合，研究了胞嘧啶在紫外光吸收后的失活过程。系统间穿越（ISC）被发现在几十飞秒内直接与内转换竞争，从而使胞嘧啶成为迄今为止计算出的具有最快三重态人口的有机化合物。研究发现，单重态和三重态之间的密切简并可以超过补偿非常小的自旋轨道耦合，导致有效的ISC。飞秒性质的系统间穿越过程突出了其在光化学的重要性，并挑战了传统的观点，即大的单重态-三重态耦合需要一个有效的人口流入三重态。这些发现对于理解DNA的光稳定性以及有机分子的光化学和动力学具有重要意义。
2021-03-24 physics.chem-ph
A nucleobase-centered coarse-grained representation for structure prediction of RNA motifs
我们介绍了SPQR模型，这是一种用于结构预测和细化的粗粒度RNA表示。在我们的方法中，核苷酸的表示由磷酸基团的点粒子和核苷的各向异性粒子组成。原则上，相互作用是由ESCORE函数（一种以基础为中心的评分函数）激发的基于知识的潜力。然而，一个特殊的治疗是给予碱基配对的相互作用和某些几何构象，这是失去了在一个原始的知识库模型。这导致能够描述平面规范和非规范碱基对和碱基-磷酸相互作用的表示，并区分糖起皱和糖苷扭转构象。该模型适用于折叠的几种结构，包括双链体与内部循环的非典型碱基对，tetraloops，路口和一个pseudokont。对于这些系统中的大多数，实验结构正确地预测在个人接触的水平。我们还提出了一种方法，有效地重新引入原子细节的粗粒度表示。
2017-12-06 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
How the surrounding water changes the electronic and magnetic properties of DNA
在这项研究中观察到的水分子对DNA的传输和磁性的强烈影响，为DNA在分子电子学中的应用开辟了真正的机会。核碱基与水分子的相互作用导致一些$π$键断裂并出现未结合的π电子。这些未结合的电子在室温下对电荷转移的贡献高达1000倍，但在低温下，电荷转移的效率由位于链内核碱基上的两个未结合的电子的自旋相互作用决定。只有当未结合电子的自旋是反平行时，核碱基之间的电荷交换才被允许。因此，DNA分子的电导可以通过磁场来控制。这种效应对于开发基于DNA分子的纳米级自旋电子器件具有潜在的应用，其中自旋相互作用的效率将由DNA序列决定。
2008-07-07 physics.chem-ph
The DNA Nucleobase Thymine in Motion - Intersystem Crossing Simulated with Surface Hopping
基于CASSCF势能面和\textsc{Sharc}表面跳跃方法，对孤立胸腺嘧啶进行了从头算激发态动力学模拟，研究了系统间跃迁的机制.我们表明，即使$S_2 \rightarrow S_1$内部转换没有准确地描述与CASSCF，系统间的交叉可以正确地模拟。胸腺嘧啶的系统间交叉发生在$S_1$（$^1nπ^*$）最小值处，通过附近与$T_2$（$^3ππ^*$）的交叉。该系统通过三重态流形中的超快内转换进一步弛豫到$T_1$（$^3ππ^*$）态。模拟结果表明，一旦系统陷入$^1nπ^*$极小值，系统间的穿越将以1 ps的时间常数进行.此外，系统的电子状态的变化分别伴随着特定键的伸长/缩短，其因此可以用作标识在动态中填充哪个状态的指示器。
2016-10-14 physics.chem-ph
The Importance of Short- and Long-Range Exchange on Various Excited State Properties of DNA Monomers, Stacked Complexes, and Watson-Crick Pairs
我们提出了一个详细的分析几个时间依赖DFT（TD-DFT）的方法，包括传统的混合泛函和两种类型的非经验调谐范围分离的泛函，用于预测一组不同的DNA核碱基单体和二聚体的电子激发。这一大而广泛的激发集合包括总共50个不同的跃迁（对于每个测试的DFT泛函），其中包括几个n $\rightarrow$ π和π $\rightarrow$ π* 价态激发、长程电荷转移激发和扩展的里德伯跃迁（由高级EOM-CCSD（T）方法的基准计算完成）。局域价激发以及极端的远程电荷转移激发在这些系统中的存在下，TD-DFT方法，使我们能够评估的重要性，同时预测所有这些各种过渡的短期和长期的交换贡献提出了严峻的挑战。特别是，我们发现，不具有短距离和完整的远程交换组件的泛函无法预测不同类型的核碱基激发具有相同的准确性。最重要的是，目前的研究强调了短程交换和远程交换的非经验调整贡献对于准确预测这些具有挑战性的核碱基系统中的不同激发的重要性。
2018-03-06 physics.atm-clus physics.bio-ph physics.chem-ph
Excitation of Nucleobases from a Computational Perspective II: Dynamics
本章致力于从时间依赖性的角度阐明气相中分离的DNA/RNA核碱基在光激发后发生的弛豫过程。为了达到这个目的，有几种方法，从全量子动力学到各种各样的半经典或从头算分子动力学，每种方法都有其优点和局限性。正如这一贡献所示，最常见的方法采用了最新的了解在气相中的核碱基的失活的Tully表面跳跃算法与飞行CASSCF计算相结合。不同的方法，或者更引人注目的是，不同的电子结构方法可以提供不同的动力学。提供了一个全面的审查，建议为每个核碱基的不同机制，并比较可用的实验时间尺度。结果进行了讨论，在一般情况下，涉及不同的应用电子结构和动力学方法的影响。阐明了两组核碱基-嘌呤衍生物（腺嘌呤和鸟嘌呤）和嘧啶衍生物（胸腺嘧啶、尿嘧啶和胞嘧啶）之间的机制相似性和差异。最后，在核碱基弛豫的背景下的动力学模拟的未来的前景。
2017-03-28 physics.chem-ph
First-principles vs. semi-empirical modeling of global and local electronic transport properties of graphene nanopore-based sensors for DNA sequencing
使用第一性原理量子输运模拟，基于非平衡格林函数形式主义结合密度泛函理论（NEGF+DFT），我们研究了总的和局部的电子电流的变化与锯齿形边缘（ZGNR）托管纳米孔的平面内的DNA核碱基插入到孔诱导。我们发现，在将核碱基置于小直径\mbox{$D=1.2$ nm}的纳米孔内的最可能位置（根据分子动力学轨迹）后，两端ZGNR +纳米孔器件的零偏压电导发生了相当大的变化。虽然这种效应随着纳米孔尺寸增加到\mbox{$D=1.7$ nm}而降低，但是ZGNR +纳米孔和ZGNR +纳米孔+核碱基系统中的电流之间的对比度可以通过施加小的偏压$V_b \lesssim 0.1$ V来增强。这在微观上解释为由于DNA核碱基诱导的ZGNR边缘周围的局部电流密度的空间分布的改变。我们使用NEGF结合自洽电荷密度泛函紧束缚（NEGF+SCC-DFTB）或自洽扩展Hückel（NEGF+SC-EH）半经验方法重复相同的分析。我们发现从NEGF+DFT获得的结果与从NEGF+SCC-DFTB或NEGF+SC-EH方法获得的结果之间的巨大差异在选择用于快速DNA测序的最佳纳米电子传感器的{ \em in silico}设计的适当计算算法时可能非常重要。
2014-08-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Noncovalent Interactions of Hydrated DNA and RNA Mapped by 2D-IR Spectroscopy
生物分子通过各种非共价相互作用与其水环境偶联。DNA和RNA表面的局部结构通常由与水分子的氢键决定，并辅之以非特异性静电和多体相互作用。水壳的结构波动导致生物分子结构的极性和/或离子基团上的波动库仑力，并导致氢键的断裂和重组。DNA和RNA振动模式的二维红外（2D-IR）光谱提供了对局部水合几何形状、基本分子动力学及其背后机制的深入了解。在本章中，从天然和人工DNA和RNA的二维红外光谱的最新结果，连同分子耦合和分子动力学模拟的理论计算。DNA和RNA的骨架振动被确立为水合螺旋复杂行为的灵敏的非侵入性探针。结果揭示了水壳层的飞秒涨落动力学、库仑作用的短程特性以及界面电场的强度和涨落幅度。
2019-07-08 physics.chem-ph
Quantum Confinement in Hydrogen Bond of DNA and RNA
氢键是稳定DNA和RNA大分子的基本成分。这项工作的主要贡献是定量地描述这种相互作用的结果的量子限制的氢。自由和受限系统的结果与实验数据进行了比较。计算用于识别谱线的振动运动的能隙的形式主义是与超对称量子力学相关联的变分方法。
2015-02-09 physics.chem-ph quant-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
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
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
Charge-Transfer Matrix Elements by FMO-LCMO Approach: Hole Transfer in DNA with Parameter Tuned Range-Separated DFT
本文提出了一种计算电荷转移矩阵元的方法，它是用碎片分子轨道和“非经验调谐的距离分离”密度泛函的线性组合来计算的。它考虑了环境库仑场引起的自洽轨道弛豫和碎片对之间的交换相互作用。的准确性进行了确认数值上的基准系统的咪唑和呋喃同二聚体阳离子。应用于DNA核碱基对和$π$堆叠腺嘌呤八聚体中的空穴转移突出了轨道弛豫的影响。
2016-04-12 physics.chem-ph
Significant Role of DNA Backbone in Mediating the Transition Origin of Electronic Excitations of B-DNA - Implication from Long Range Corrected TDDFT and Quantified NTO Analysis
本研究结合长程校正TDDFT与QNTO分析，揭示DNA骨架、周围核碱基及构象变化会显著影响B-DNA中胸腺嘧啶相关电子激发的跃迁起源。
2011-11-22 physics.chem-ph
Atomic Structures of the Molecular Components in DNA and RNA based on Bond Lengths as Sums of Atomic Radii
作者近年来将键长解释为相关原子或离子半径的总和，在此已扩展到腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶、尿嘧啶、核糖、脱氧核糖和磷酸的骨架结构中的键。在检查文献中的键长数据时，已经发现键长的平均值接近于碳、氮、氧、氢和磷的相应原子共价半径的总和。因此，在这里，常规的分子结构第一次被分解成可能的原子结构。
2007-11-09 physics.chem-ph physics.gen-ph
Electronic Excitation Response of DNA to High-energy Proton Radiation in Water
缺乏对DNA对带电粒子辐射（如高能质子）的电子激发响应的分子水平理解，仍然是推进质子和其他离子束癌症治疗的基本科学瓶颈。特别是，不同类型的DNA损伤对高能质子的依赖性代表了一个重要的知识空白。在这里，我们采用第一性原理实时依赖于时间的密度泛函理论模拟，使用一个并行的超级计算机，解开能量转移的量子力学细节从高能质子到DNA在水中。计算结果表明，质子沉积在DNA糖磷酸侧链上的能量比沉积在核碱基上的能量多得多，并且预计在DNA侧链上的能量转移比在水上的能量转移大。作为这种电子停止过程的结果，在DNA侧链上产生高能空穴作为氧化损伤的来源。
2023-03-16 cond-mat.soft physics.chem-ph
The unknotted strands of life: knots are very rare in RNA structures
目前正在进行的检测和表征生物聚合物中的物理缠结的努力已经确定，结存在于许多球状蛋白质中，也大量存在于包装在噬菌体内的病毒DNA中。另一方面，RNA分子还没有被系统地筛选出物理结的出现。因此，我们对蛋白质数据库中存在的约6，000种RNA结构进行了系统分析。搜索发现不超过三个深打结的RNA分子。这些是通过冷冻-em溶解的核糖体RNA，由大约3，000个核苷酸组成。因此，与蛋白质和病毒DNA的情况相比，观察到的RNA结的发生率实际上可以忽略不计。这表明，无论是进化选择，或热力学和动力学折叠机制的作用，以尽量减少RNA的纠缠的程度是无与伦比的其他类型的生物分子。观察到的三种RNA打结模式的性质为设计能够在扭结折叠中自打结的RNA序列提供了有价值的线索。
2014-10-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Mechanistic Framework for Multicomponent Nanoparticle Assembly: Predicting RNA-lipid and PEI-DNA nanoparticle assembly
Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
该研究提出结合kMC模拟的计算框架FormLNP，可预测RNA-脂质和PEI-DNA纳米颗粒的单颗粒性质分布，揭示组装路径对异质性分布的影响。
2026-09-04 cond-mat.soft physics.chem-ph
First Passage Time in Computation by Tape-Copying Turing Machines: Slippage of Nascent Tape
DNA模板序列中化学编码的遗传信息的转录是由称为RNA聚合酶（RNAP）的分子机器进行的。新生RNA相对于DNA模板链的向后或向前滑动产生分别比相应模板长或短的转录物。我们将RNAP建模为“磁带复制图灵机”（TCTM），其中DNA模板是输入磁带，而新生RNA链是输出磁带。尽管TCTM总是向前推进，但该过程被假设为是随机的，即每单位时间有一个发生概率。TCTM在输入带上每次成功向前步进所需的时间是一个随机变量，在此期间，输出带由于向后或向前滑动而遭受$n$单位的延长或缩短;我们通过使用计算{ \it首次通过时间}分布的形式来报告此时间的一些统计特性。结果可能会发现应用程序的实验数据分析的“编程”转录错误所造成的转录滑移，这是一种模式的“重新编码”的遗传信息。
2017-04-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
