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
The Worm-Like Chain Theory And Bending Of Short DNA
将全原子分子动力学模拟得到的双螺旋DNA弯曲角的概率分布与理论预测进行了比较。计算的分布显着同意蠕虫状链理论的双螺旋的一个螺旋圈和更长的时间,和定性不同的半弹性链模型的预测。计算的数据在短DNA的表观柔性中仅表现出小的异常,并且不能解释最近报道的AFM数据(Wiggins等人,Nature nanotechnology 1,137(2006))。目前的原子论DNA模型可能忽略了DNA在中等长度尺度上弯曲的一些基本机制。弯曲的DNA结构的分析表明,然而,弯曲运动是结构上的异质性和方向各向异性的中间长度尺度的实验异常被检测到。这些效应对于解释实验数据是必不可少的,它们也可能是造成明显差异的原因。
2007-04-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
The effect of topology on the structure and free energy landscape of DNA kissing complexes
我们使用最近开发的粗粒度模型的DNA研究接吻复合物形成的互补发夹环杂交。由于环的连接数必须保持不变,因此环的连接受到拓扑约束。通过研究连接数为-1,0或1的系统,我们发现当拓扑结构更有利于右旋缠绕时,链间碱基对的平均数更大。当连接数从-1到0到1变化时,亲吻配合物的热力学稳定性也降低。接吻复合物的结构通常涉及两个分子间螺旋,其在平行的四向连接处与发夹茎同轴堆叠。
2012-03-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Quantum Machine Learning Corrects Classical Force Fields: Stretching DNA Base Pairs in Explicit Solvent
为了提高分子动力学模拟的准确性,经典力场补充了基于量子力学碎片能量训练的基于内核的机器学习方法。作为一个例子的应用,一个势能面一般化的小DNA双链体,考虑到明确的溶剂化和远程电子交换-相关效应。修正的势能与延伸的研究表明,领先的经典DNA模型具有过度的刚度相对于拉伸。这种差异在多个力场中很常见。的量子校正是在定性协议的实验热力学较大的DNA双螺旋,提供了一个候选人的解释一般和长期存在的差异之间的单分子拉伸实验和经典计算的DNA拉伸。新的量子计算数据集和相关的核修正分子动力学(KMMD)方法在生物分子模拟中具有普遍的实用性。KMMD作为AMBER 22仿真软件的一部分提供。
2022-09-09 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.chem-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
First-passage problems in DNA replication: effects of template tension on stepping and exonuclease activities of a DNA polymerase motor
DNA聚合酶(DNAP)复制模板DNA链。它还利用模板作为自己的电机般的机械运动的轨道。在聚合酶模式下,它在每一步中将新生DNA延长一个核苷酸。但是,每当它通过错误地掺入不正确的核苷酸而犯下错误时,它可以切换到核酸外切酶模式。在后一种模式中,它在切换回聚合酶模式之前切除了错误的核苷酸。我们开发了一个随机动力学模型的DNA复制,模仿{ \it在体外}的实验中,一个单链DNA,受到机械张力$F$,被转换为双链DNA的一个单一的DNAP。复制的平均速率的$F$依赖性取决于DNAP的聚合酶和核酸外切酶活性的速率,与相应的实验结果定性一致。我们介绍了9个新的不同的{ \it条件停留时间}的DNAP。使用首次通过时间的方法,我们还得到了这些条件停留时间的概率分布的精确解析表达式。这些分布的预测的$F$依赖性原则上可用于单分子实验。
2013-07-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Twist-stretch relations in nucleic acids
本文提出三维介观哈密顿模型并结合路径积分技术,揭示了A型RNA和B型DNA短螺旋片段在恒定负载下的扭转-拉伸关系与拉伸特性,与千碱基长分子的相反行为一致。
2023-06-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Weak tension accelerates hybridization and dehybridization of short oligonucleotides
张力下DNA的杂交和去杂交与基本的遗传过程和基于DNA的机械生物学测定的设计有关。虽然强张力加速DNA解链并减慢DNA退火,但弱于5 pN的张力的影响不太清楚。在这项研究中,我们开发了一种DNA弯曲试验,它使用双链DNA(dsDNA)的弯曲刚度施加在单链DNA(ssDNA)的目标在2 pN至6 pN的范围内的弱张力。将该测定与单分子FRET相结合,我们测量了张力下的15 nt ssDNA与8-9 nt oligo之间的杂交和去杂交动力学,并且发现对于所测试的各种核苷酸序列,杂交和去杂交速率均随着张力单调增加。这些发现表明,在其过渡态的有核双链体比纯dsDNA或ssDNA对应物更延伸。我们的模拟使用粗粒度oxDNA 2模型表明,增加的过渡态的扩展是由于不成对的ssDNA区域之间的排斥相互作用在彼此接近。这项研究突出了一个例子,理想的蠕虫状链模型无法解释DNA在低力状态下的动力学行为。
2022-04-19 physics.bio-ph q-bio.BM
Statistical method for A-RNA and B-DNA
本文提出三维介观哈密顿量模型,在核苷酸水平离散表示双链核酸,结合路径积分统计方法计算碱基对呼吸涨落,揭示了DNA与RNA在扭转-拉伸关系上的相反行为,并在短尺度柔性估计上优于传统弹性杆模型。
2025-05-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
DNA handles bias force-dependent looping times
Eindhoven University of Technology(埃因霍温理工大学);UHasselt, Faculty of Sciences, Data Science Institute, Theory Lab(荷语布鲁塞尔自由大学理学院数据科学研究所理论实验室)
研究 DNA 环化时间受间接力传递的影响,通过分子动力学模拟和分析框架,揭示侧翼片段对环化时间力依赖性的作用,用粗粒化 DNA 模型获与实验相符的预测,表明力传递几何结构对环化动力学有显著影响。
2026-10-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Quantitative analysis of reptation of partially extended DNA in sub-30 nm nanoslits
我们观察到单个DNA分子在高度低于30 nm的熔融石英纳米缝中的蠕动。利用取向相关和横向涨落分析定量地表征了蠕动行为和约束效应。我们表明,在强准二维限制和与纳米缝中的表面钝化聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子的相互作用下,紧张的聚合物会出现管状聚合物运动,而蚀刻诱导的器件表面粗糙度,芯片键合材料和DNA嵌入染料表面相互作用则起次要作用。这些发现具有强烈的影响,在纳米流体系统的表面改性的效果与单分子DNA分析的潜在应用。
2015-02-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Biophysical Measurements of Cells, Microtubules, and DNA with an Atomic Force Microscope
原子力显微镜(AFM)在研究实验室中无处不在,最近已被定价用于教学实验室。在这里,我们回顾了几个AFM平台(Dimension 3000由Digital Instruments,EasyScan 2由Nanosurf,ezAFM由Nanomagnetics和TKAFM由Thorlabs),并描述了各种生物物理实验,可以在教学实验室使用这些仪器。特别是,我们专注于成像生物材料和量化生物物理参数的实验:1)成像细胞以确定膜张力,2)成像微管以确定其持久长度,3)成像DNA分子的随机行走以确定其轮廓长度,以及4)成像拉伸的DNA分子以测量张力。
2015-12-15 physics.bio-ph physics.ed-ph
Modelling DNA at the mesoscale: a challenge for nonlinear science?
当从碱基对的尺度上观察时,DNA表现为非线性晶格。模拟其特性是一个令人着迷的目标。可以在该系统上执行的详细实验对模型施加约束,并且可以用作改进它们的指导。尽管如此,仍然有许多悬而未决的问题,特别是在几十个碱基对的尺度上描述DNA,这与许多生物现象有关。
2008-08-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Cable dynamics applied to long-length scale mechanics of DNA
本文介绍了使用电缆动力学模型作为一种手段,探索力学的DNA长尺度。正是在这些长度尺度上,DNA形成了扭曲和弯曲的三维形状,称为超螺旋和环。这些长尺度DNA结构对该分子在细胞内的功能具有显著影响,包括DNA在细胞核中的包装、转录、复制和基因修复。我们提供了一个简短的背景,以力学的DNA和建议的逻辑连接到力学的低张力电缆。然后总结了一个计算模型,并给出了DNA超螺旋和成环的实例结果。
2007-02-23 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Two-Phase Dynamics of DNA Supercoiling based on DNA Polymer Physics
DNA超螺旋在基因组调控过程中产生,如转录和复制,并为这些过程提供机械反馈。在张力作用下,DNA超螺旋可以呈现出伸缩(S)相和伸缩(P)相共存的状态。实验揭示了原丝体的扩散、成核和跳跃等动力学行为。为了用计算变化来表示这些动态,我们首先展示了DNA上的快速动态在P和S相内达到扭矩平衡,然后将两相边界确定为集体慢变量来描述基本动态。根据时间尺度的分离,我们相应地开发了一个两相模型的DNA超螺旋的动力学,它可以捕捉生理相关的事件跨越几个数量级的时间尺度。在该模型中,我们系统地表征了两相之间的缓慢动力学行为,并将数值结果与基于DNA聚合物物理的蠕虫状链模型的结果进行了比较。超螺旋动力学,包括成核,扩散,和跳跃的plectoneme,已经很好地表示和再现,使用两相动力学模型,在微不足道的计算成本。因此,我们目前的发展,可以实现探索多尺度的物理机制的DNA超卷曲依赖的生理过程。
2021-05-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
Maximum pull out force on DNA hybrids
我们从理论上讨论了两个胶体粒子之间的力F,每个胶体粒子携带一个单链DNA。两条链仅在连续碱基对的有限序列上互补。我们定义了一个调整长度(几个碱基对):在配对区域两端附近的调整区域中,张力仍然主要集中在一条单链上。但在中心部分,两个主干的负荷是相等的。这导致断裂力随长度线性增加,并且在大长度时饱和。
2001-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio
The effect of DNA conformation changes on the coupling of the macromolecule deformation components
建立了DNA大分子的变形模型,考虑了DNA大分子的外变形和内变形。外部组件描述了双螺旋的弯曲、扭曲和拉伸。内部成分-双螺旋内部的构象移动性。在这项工作中,考虑了DNA大分子的变形,考虑了外部成分(变形)与内部成分(构象变化)的耦合。在任务考虑中,考虑了高分子的扭-拉耦合以及扭转与内部组分的耦合。在这些条件下获得的变形分量的解决方案允许根据对扭转分量施加的力来改变退绕(过绕)时拉伸分量的响应特性。从单分子实验中得知,在达到临界解扭力时,变形的性质由压缩变为拉伸(反之亦然,在达到临界解扭力时,变形的性质由过卷变为解扭)。在本工作中,通过考虑内部组分,澄清了双螺旋这种意外行为的性质。所得到的解及其与实验结果的一致性表明了在pN范围内作用力作用下,内外组分间的耦合在双螺旋构象力学中的重要作用。
2020-11-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
Probability distribution of bubble lengths in DNA
在310 K下,用Monte Carlo方法模拟了鸟嘌呤-胞嘧啶(GC)含量不同的双链DNA中气泡长度的分布.分析描述了在整个研究范围内获得的分布,即,可获得高达数十纳米量级的泡宽度。我们发现,这种分布的衰减长度和特征指数显示两个不同的制度作为GC含量的函数。所观察到的分布归因于碱基对内的非谐相互作用。结果进行了讨论的波兰Scheraga和Peyrard主教(线性而不是非线性堆叠相互作用)模型的框架。
2007-02-16 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Twisting short dsDNA with applied tension
利用粗粒化的哈密顿模型研究了DNA分子在机械拉伸下的扭转变形,该模型考虑了稳定双螺旋的基本相互作用,并考虑了碱基对的径向和角向涨落.后者在DNA片段保持固有灵活性的短长度尺度上更为重要。所提出的计算方法模拟了一个广泛的合奏可能的分子构象,其特征在于由一个特定的平均扭曲,并确定最方便的螺旋扭曲自由能最小化。由于这是对任何外部负载进行的,因此该方法产生分子的特征性扭曲-拉伸轮廓,并且还计算宏观螺旋参数的变化,即平均直径和上升距离。据预测,短分子在拉伸下应首先过度扭曲,然后通过增加外载荷解扭曲。此外,施加恒定的负载和模拟扭转应变,过度扭曲的螺旋,它被发现,平均螺旋直径收缩,而分子伸长,在千碱基长序列中观察到的实验趋势一致。导出了定载荷下相对延伸率与超螺旋密度之间的定量关系。所提出的理论模型和计算方法提供了一种通用的方法来表征特定的DNA片段,并预测其宏观弹性响应作为介观哈密顿量的有效势参数的函数。
2017-11-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Base pair fluctuations in helical models for nucleic acids
本文提出了一种估算核酸三维介观模型中碱基对涨落最大振幅的统计方法。碱基对围绕螺旋直径的热振动被视为嵌入在稳定的螺旋结构中的颗粒的布朗运动。返回到初始位置的概率计算,作为时间的函数,通过整合的粒子路径一致的物理性质的模型潜力。首次通过概率的零时间条件定义了选择各种宏观螺旋构象的积分截止的约束,通过调整沿着分子堆叠的相邻碱基对之间的扭曲、弯曲和滑动运动来获得。应用该方法在室温下短的均匀链,我们得到有意义的估计,在扭曲构象的最大波动与$\sim 10.5$碱基对每螺旋转,典型的双链DNA螺旋。解开双螺旋,碱基对波动扩大和积分截止增长。发现在存在缩短螺旋轮廓长度的滑动运动的情况下,截止值也增加,这是dsRNA分子特有的情况。
2021-05-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Challenging packaging limits and infectivity of phage λ
噬菌体的末端酶马达已被证明是生物分子世界中最强的活性机器之一,能够在几分钟内将数十对病毒基因组的末端酶包装到衣壳中。然而,这些马达在包装过程结束时受到与已经包装的DNA相关的抵抗包装的力的逐渐积累的阻碍。在这项实验工作中,我们提出了这样一个问题,即λ噬菌体的末端酶马达可以包装的基因组长度的上限是什么,并且仍然产生感染性病毒体,以及在什么条件下可以有效地进行。使用我们实验室开发的从头构建λ噬菌体的包装策略,连同噬菌斑测定监测,我们已经能够表明λ噬菌体的末端酶马达能够产生具有高达野生型(WT)λ-DNA长度的110%的感染性颗粒。然而,噬菌体的生产率,从而感染性,随着DNA长度的增加呈指数下降,并且对于110% λ-DNA噬菌体是103倍。有趣的是,我们的体外策略在完全包装DNA长度高达WT长度的114%的病毒时仍然有效,但这些病毒无法有效感染细菌细胞。此外,我们证明了噬菌体的生产速率是由多价离子物种的存在下调制。这些发现的生物后果进行了讨论。
2011-11-09 physics.bio-ph q-bio.SC