Bubbles, clusters and denaturation in genomic DNA: modeling, parametrization, efficient computation
本文使用介观，非线性晶格动力学（Peyrard-Bishop-Dauxois，PBD）建模来描述DNA在变性温度以下和附近的热性质。计算效率的符号介绍了相关的统计力学。计算的熔化配置文件的长和短的异质序列，使用最近推出的重新参数化的PBD模型，并严格讨论。扩展开放的气泡和绑定集群的统计制定和结果，为选定的例子。
2011-02-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Modeling DNA Dynamics by Path Integrals
DNA双螺旋结构中的互补链具有暂时的波动性开口，这对于遗传信息的转录和复制等生物功能至关重要。这种大幅度的波动，称为DNA的呼吸，通常是局部的，并且在微观上是由于连接碱基对（\emph{bps}）的氢键的断裂。我申请虚时间路径积分技术的介观哈密顿占螺旋几何形状的短圆形DNA分子。相对于基态的\emph{bps}位移被解释为依赖于时间的路径，其振幅与氢键的模型势一致。通过选择满足热力学第二定律的路径集合来确定路径配置空间中对配分函数有贡献的部分。在变性范围内的热力学计算显示了B-DNA特有的平衡螺旋几何的能量优势。我讨论了扭曲的双螺旋和沿分子骨架的非谐堆叠之间的相互作用，这表明内在的非线性特征的微观相互作用和分子拓扑结构之间的一个有趣的关系。
2013-02-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Modeling DNA loops using the theory of elasticity
一个通用的方法来建模的构象和能量的DNA环。该模型是基于经典的弹性理论，修改，以描述固有的扭曲和弯曲的DNA，DNA的弯曲各向异性，和静电性能。所有的模型参数都被认为是环弧长的函数，因此可以模拟DNA序列特异性性质。该模型被应用到测试案例研究的DNA环夹乳糖阻遏蛋白。几个拓扑结构不同的构象预测不同长度的循环。系统地研究了预测构象对问题参数的依赖性。扩展所提出的模型和模型的适用范围，包括蛋白质-DNA复合物的多尺度模拟和建立全原子结构的模型的基础上，进行了讨论。
2003-01-05 physics.bio-ph q-bio
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
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 supercoiling in bacteria: state of play and challenges from a viewpoint of physics based modeling
该综述从物理建模视角梳理细菌DNA超螺旋的研究进展，探讨现有模型的适用性与局限，聚焦多尺度结构及生理功能相关问题，旨在推动物理与生物学领域的交叉合作。
2023-10-06 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
Accurate prediction of gene expression by integration of DNA sequence statistics with detailed modeling of transcription regulation
基因调控涉及从特异性蛋白质-DNA相互作用到核蛋白复合物的组合装配的事件的层次结构。DNA序列对这些过程的影响通常是基于其与单结构域结合自由能的定量联系或基于结合不同DNA基序以在基因组尺度上预测基因表达趋势的经验规则来研究的。然而，在数量上连接这两个极端的中间点方法在很大程度上仍未得到探索。在这里，我们提供了一个综合的方法来准确预测基因表达的统计序列信息结合详细的生物物理模型的转录调控多域结合多个DNA位点。对于典型的乳糖操纵子的调节，这种方法预测在0.3倍的准确度内转录活性超过10，000倍的范围从DNA序列统计不同的细胞内条件。
2010-12-16 cond-mat.stat-mech cs.CE 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
Modeling DNA beacons at the mesoscopic scale
我们报告模型计算DNA单链描述的平衡动力学和动力学的发夹形成和熔化。建模是在单基地的水平。链刚性描述在简单的聚合物模型;替代计算使用自由旋转链和离散Kratky-Porod模型进行报告。根据Peyrard-Bishop-Dauxois哈密顿量对茎形成进行建模。在一个有效的自由能景观的扩散控制的运动方面的动力学的开放和关闭。解链曲线，解链温度对环长度的依赖性，以及动力学时间尺度与从形成聚（T）环的荧光DNA信标获得的实验数据半定量一致。链刚性的变化不足以解释闭合的大活化焓和在形成聚（A）环的发夹中观察到的强环长度依赖性。单链DNA或RNA建模的影响进行了讨论。
2007-06-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Effect of environmental noise on charge diffusion in DNA: Towards modeling its potential epigenetic impact in live processes
Ulm University（乌尔姆大学）；Institute for Complex Quantum Systems, Ulm University（乌尔姆大学复杂量子系统研究所）；Integrated Quantum Science and Technology (IQST)（集成量子科学与技术）；Institute of Human Genetics, Ulm University（乌尔姆大学人类遗传学研究所）；Ulm University Medical Center（乌尔姆大学医学中心）
研究环境噪声对DNA电荷扩散的影响，探讨其在表观遗传过程中的潜在作用，通过量子扩散模型分析DNA结构中电荷传输的复杂性。
2024-07-19 physics.bio-ph quant-ph
Investigation of DNA denaturation in Peyrard-Bishop-Dauxois model by molecular dynamics method
在Peyrard-Bishop-Dauxois模型下，用直接分子动力学模拟方法研究了$(PolyA/PolyT)_{100}$双链体到变性态的相变.计算了双链体的总能量和热容的温度依赖性。所应用的方法可用于计算任何长度和核苷酸组成的双链体的统计特性。
2018-11-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Unzipping of knotted DNA via nanopore translocation
本研究通过分子动力学模拟探讨打结DNA在纳米孔解链中的行为，发现高作用力下打结会因拓扑摩擦和链间纠缠导致解链变慢且不均匀，揭示了DNA拓扑与解链间复杂的相互作用。
2024-07-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
Multiscale approach to radiation damage induced by ion beams: complex DNA damage and effects of thermal spikes
我们提出的多尺度方法的最新进展，辐射损伤所造成的组织与高能离子的照射，并报告复杂的DNA损伤的计算和生物分子上的热尖峰的影响的最新进展。多尺度方法旨在量化离子辐照期间和之后发生的最重要的物理、化学和生物现象，并为临床必要的计算提供更好的方法，具有足够的准确性。我们提出了一种方法来量化复杂的集群损伤，由离子引起的辐射损伤的最重要的功能之一。该方法可用于计算不可修复的DNA损伤。我们包括热尖峰，预测发生在组织中的短时间后，离子的通道附近的离子的轨道在我们以前的工作，到建模的热环境的分子动力学分析泛素和讨论这些模拟的第一个结果。
2010-05-20 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.BM
Statistical physics and mesoscopic modeling to interpret tethered particle motion experiments
拴系粒子运动实验是一种多功能的单分子技术，使人们能够在体外处理DNA的分子特性及其与参与遗传调控的各种伙伴的相互作用。这些技术提供了原始数据，如跟踪粒子的运动幅度，从中必须恢复有关DNA构象或状态的相关信息。解决这个逆问题需要在过去二十年中设计的特定理论工具，以及应该实施的数据预处理程序，以避免这些实验技术固有的偏差。本文对这些统计工具和模型进行了综述。
2019-09-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Cavity approach for modeling and fitting polymer stretching
如今，分子的机械性能通过单分子操作实验来捕获，因此聚合物特征在纳米尺度上进行测试。然而，设计数学模型以获得超越通常研究的力-伸长关系的进一步洞察通常是困难的。在这里，我们从无序系统的背景下开发的技术来解决模型的单链和双链的DNA拉伸在一个长的聚合物链的限制。由于我们直接推导出分子局部取向的边缘，我们的方法使我们能够很容易地计算实验伸长以及其他观测值。作为一个例子，我们评估的相关长度作为拉伸力的函数。此外，我们能够成功地适合我们的解决方案，真正的实验数据。虽然这个模型是现象学的，但我们的发现非常合理。对于单链DNA，我们的解决方案产生了正确的（单体）规模，但更重要的是，正确的持久性长度的分子。在双链的情况下，我们的模型再现了众所周知的过度拉伸过渡，并正确地捕捉到天然DNA和过度拉伸DNA之间的比例。此外，在这种情况下，该模型产生的持久性长度与共识的良好协议，它给出了有趣的见解的弯曲刚度的本地和过度拉伸的分子，分别。
2014-11-20 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph
Single-Trajectory Bayesian Modeling Reveals Multi-State Diffusion of the MSH Sliding Clamp
本文通过单粒子追踪实验和贝叶斯单轨迹建模分析ATP结合态MSH滑动夹的扩散动力学，发现其运动由三个具有不同扩散系数的状态交替构成，揭示了比简单布朗运动更复杂的构象变化驱动的多态扩散机制。
2025-09-19 physics.bio-ph q-bio.QM
Twin Supercoil Domain couples the dynamics of molecular motors and plectonemes during bacterial DNA transcription and replication
Laboratoire Interdisciplinaire de Physique, CNRS and Université Grenoble Alpes（跨学科物理实验室，法国国家科学研究中心与格勒诺布尔阿尔卑斯大学）
本研究利用粗粒化建模和布朗动力学模拟，揭示了 Twin Supercoiled Domain (TSD) 如何通过刺激 plectoneme 的自发位移模式，调控细菌 DNA 转录和复制中分子马达与 plectoneme 的耦合动力学。
2025-11-03 physics.bio-ph
Super-sensitive Molecule-hugging Graphene Nanopores
纵向分辨率和横向灵敏度是决定性的特征，其决定了纳米孔传感器对DNA链以及其他重要聚合物测序的适用性。先前在单原子厚的石墨烯纳米孔中对DNA诱导的离子电流阻断的建模已经显示这些纳米孔具有足够的纵向分辨率以区分沿着DNA分子长度的各个核碱基。在这里，我们实验专注于对DNA直径微小变化的敏感性，这些变化可以用石墨烯纳米孔来识别。我们表明，当纳米孔被定制为具有接近感兴趣的聚合物的直径时，获得了非常大的灵敏度（0.5 nA/A）。我们的结果已经获得了双链DNA（dsDNA）。较小的石墨烯纳米孔可以调整到单链DNA（ssDNA）的直径，用于测序，直到最近才被证明。我们的研究结果表明，基于这种孔的纳米孔传感器将提供优异的分辨率和碱基识别，并且将成为最近证明具有测序能力的蛋白质纳米孔的强大竞争对手。
2012-05-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.ins-det
Three-dimensional double helical DNA structure directly revealed from its X-ray fiber diffraction pattern by iterative phase retrieval
相干衍射成像（CDI）允许从其衍射图案中检索孤立物体（如大分子）的结构。CDI需要满足两个条件：成像辐射必须是相干的，物体必须是孤立的。我们讨论，它是可能的直接检索的分子结构，从它的衍射图案，这是既不与相干辐射，也不是从一个单独的分子，只要分子表现出在一个方向上的周期性，在纤维衍射的情况下。我们证明，通过应用迭代相位恢复方法的纤维衍射图案，重复单元，即分子结构，可以直接重建没有任何事先建模。作为一个例子，我们从二维X射线纤维衍射图（照片51）中恢复了DNA双螺旋的三维结构，照片51是雷蒙德·高斯林和罗莎琳德·富兰克林在著名的实验中获得的，分辨率为3.4埃。
2018-11-11 physics.bio-ph physics.data-an physics.ins-det
