Coarse-grained modelling of strong DNA bending I: Thermodynamics and comparison to an experimental "molecular vice"
DNA弯曲在生物学上对基因组调控非常重要，并且与一系列纳米技术系统相关。最近的研究结果表明，急剧弯曲比广泛使用的蠕虫状链模型所暗示的要容易得多;然而，许多这些研究仍然存在争议。我们使用一个粗粒度的模型，以前适合DNA的基本热力学和力学性质，探索强烈弯曲的系统。我们发现，作为端到端的距离是足够短的双链体减少经历一个过渡到一个状态，其中弯曲应变是本地化在一个灵活的扭结，涉及中断的碱基配对和堆叠。这种扭结状态，这是没有很好地描述的蠕虫状链模型，使双链体更容易急剧弯曲。然而，由于两个DNA主链的连接性所产生的限制，它并不完全灵活。我们还进行了详细的比较，最近的实验上的“分子副”，探针高度弯曲的DNA。模拟和实验之间的密切一致性加强了这样的假设，即局部弯曲通过扭结发生在分子副，并导致双链体DNA的灵活性增强。因此，我们的计算表明，这个实验所暗示的扭结成本与DNA的已知热力学和机械性质是一致的。
2015-06-30 q-bio.BM
Mechanical conversion of low-affinity Integration Host Factor binding sites into high-affinity sites
尽管DNA在体内经常被弯曲，但DNA弯曲力如何调节DNA-蛋白质结合亲和力尚不清楚。在这里，我们报告了一系列的DNA弯曲力如何调节整合宿主因子（IHF）蛋白与各种DNA的结合。使用溶液荧光法和电泳迁移率变动分析法，我们测量了IHF对具有不同弯曲力和序列突变的DNA的亲和力。通过改变环形基底中双链DNA的分数或通过改变环的整体大小来调节弯曲力（1）。DNA构建体包含一对福斯特共振能量转移染料，用作亲和力测定的探针，并读出由光学力传感器测量的弯曲力（2）。小的弯曲力显著增加了结合亲和力;这种效应在超过~3 pN时饱和。令人惊讶的是，当仅弱结合IHF的DNA序列通过环化机械弯曲时，它们比线性“高亲和力”结合序列更紧密地结合IHF。这些发现表明，小的弯曲力可以极大地增强偏离蛋白质的共有结合序列的位点处的结合。由于细胞DNA易发生机械变形和缩合，因此使用短线性DNA在体外测定的结构蛋白的亲和力可能不能反映体内亲和力。
2009-04-13 q-bio.BM
Consequences of local inter-strand dehybridization for large-amplitude bending fluctuations of double-stranded DNA
蠕虫状链（WLC）模型的DNA弯曲准确地再现单分子力延伸的长链（酶）的配置文件。然而，这些大尺度上的弯曲统计数据并没有建立1-10 bp尺度上独特的弹性微观模型，而这在生物学背景下特别令人感兴趣。在这里，我们研究了一类允许碱基配对中断的微观模型（即，"熔化“或”扭结“，一般称为”激发“），从而增强局部柔性。我们首先分析了蠕虫链中空间自由度的积分对激发自由能的影响。基于这种分析，我们提出了一个配方，这些模型，确保与完善的热力学熔化长链的一致性。使用一种新的方法来计算环化统计的短链从增强采样蒙特卡罗模拟，我们计算J-因子的可熔蠕虫状链（MWLC）在很宽的链长范围内，包括非常短的分子（30 bp），尚未被实验探索。对于超过约120 bp的链，包括迄今为止在实验室中研究的大多数分子，我们发现，熔融激发环化动力学的影响不大。强烈的签名融化，这可能是解决在典型的实验散射，出现只有较短的链。
2011-10-31 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Strongly bent double-stranded DNA: reconciling theory and experiment
人们对聚合物的强弯曲知之甚少。我们提出了一个一般的定量框架聚合物弯曲，包括弱和强弯曲制度在同一个立足点，基于一个单一的一般物理原理。当弯曲变形增加超过某个（聚合物特定的）点时，聚合物的有效弯曲能量的凸性性质的变化使得谐波变形在能量上不利：在这种强弯曲状态下，聚合物的能量随着平均弯曲角度线性变化，因为系统遵循变形能量函数的凸包。对于双链DNA，对于大于约2度/碱基对的弯曲，等效于约160个碱基对的闭合圆环的曲率，有效弯曲变形能变为非凸的。一个简单的方程推导出的聚合物环能量，涵盖了弱和强的弯曲制度。该理论与最近的DNA环化实验短的DNA片段的定量协议，同时保持预期的协议与实验中的弱弯曲制度。与直觉相反，预测非常短的DNA环的环化概率（j因子）随着环长度的减小而增加; j因子在45个碱基对的环中达到最小值。原子模拟结果表明，主链原子间短程Lennard-Jones相互作用的吸引力分量可以解释DNA有效弯曲能的非凸性，从而导致线性弯曲机制.该理论的适用性蛋白质-DNA复合物，包括核小体，进行了讨论。
2019-07-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Effect of Bending Anisotropy on the 3D Conformation of Short DNA Loops
使用弹性模型，考虑到弯曲刚度的各向异性的平衡的三维形状的相对较短的循环的DNA进行了研究。使用一个合理的估计的各向异性，它被发现，环化的DNA的长度是不是整数倍的间距采取非平凡的形状，涉及弯曲的平面和扭结的形成。序列不均匀性对DNA形状的影响得到解决，并显示出增强的几何特征。这些发现可以揭示DNA构象在蛋白质-DNA相互作用中的作用。
2008-11-20 cond-mat.soft q-bio.BM
DNA: From rigid base-pairs to semiflexible polymers
双螺旋DNA在纳米尺度上的序列依赖性弹性可以用刚性碱基对模型来描述，其应变是相邻碱基对的相对位置和方向。相应的弹性势已从全原子分子动力学模拟和高分辨率的结构数据。在100 nm的尺度上，DNA被成功地描述为一个连续的蠕虫状链模型，具有均匀的弹性特性，其特征在于一组四个弹性常数，这已经在单分子实验中直接测量。我们在这里提出了一个理论，将这些实验在不同的尺度上，通过系统粗粒度的刚性随机序列DNA的碱基对模型，一个有效的蠕虫状链描述。在我们的方法中完全考虑了分子的平均螺旋几何形状。我们发现，可用的微观参数集预测定性相似的介观参数。由分子动力学数据计算得到的热弯曲和扭转持续长度分别为42和48 nm。静态持续长度通常要高得多，与环化实验一致。所有的微观参数集预测负扭转拉伸耦合。随机短链的弯曲刚度的可变性和各向异性导致非高斯弯曲角分布，但在两个螺旋圈后变得不重要。
2006-11-15 q-bio.BM
Revisiting the anomalous bending elasticity of sharply bent DNA
最近的几个实验表明，急剧弯曲的DNA具有令人惊讶的高弯曲柔性，但这种柔性的原因知之甚少。虽然柔性缺陷的激发可以解释这些结果，但在这些实验中，这种激发是否可以与DNA弯曲水平一起发生仍不清楚。有趣的是，在大多数实验中，DNA都含有预先存在的切口，但在解释实验结果时从未考虑过切口是否可能在柔性中发挥作用。在这里，使用全原子分子动力学模拟，我们表明，缺口促进DNA碱基对中断的缺口网站，这大大降低了DNA弯曲能。此外，较低的温度抑制切口依赖性碱基对破坏。在没有切口的情况下，也可以发生碱基对破坏，但需要更高水平的DNA弯曲。因此，如果DNA含有预先存在的切口，则可以抑制B型DNA内的碱基对破坏。总体而言，我们的研究结果表明，所报道的急剧弯曲的DNA的机械异常可能依赖于预先存在的切口，因此急剧弯曲的无切口DNA的内在机制仍然是一个悬而未决的问题。
2015-12-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Nonlinear Mechanical Response of DNA due to Anisotropic Bending Elasticity
考虑到由双螺旋结构引起的弯曲刚度的各向异性，研究了短DNA片段对弯曲的响应。它示出的各向异性引入一个有效的非线性扭曲弯曲耦合，可以导致形成扭结和调制的曲率和/或扭曲，这取决于弹性常数和所施加的偏转角的值。调制的典型波长，或相邻扭结之间的距离被发现是由DNA间距的一半。
2002-07-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft q-bio.BM
Increase of cationic concentration due to bending of overcharged DNA in strong Coulomb coupling regime
这项研究表明，在强库仑耦合制度，弯曲直的和完全过充电的DNA（最大接受多价抗衡离子）到一个圆圈释放一些吸附（相关）抗衡离子，但仍然保持完全过充电。这种现象似乎是DNA的最低能量状态所固有的。根据定义，大离子-抗衡离子系统的总静电势能在确保最稳定构象的过充电抗衡离子的最大接受度处达到其最低点。这种中间现象的阳离子从DNA表面的释放，由于弯曲可以考虑在理论建模中的一些离子浓度依赖的物理化学方面的DNA解决方案在强库仑耦合制度。
2013-07-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
Simulated and Experimental Bending Dynamics in DNA with and without A-Tracts
由规则重复的腺嘌呤束引起的双螺旋DNA的宏观弯曲是众所周知的，但仍然令人困惑。它的物理起源仍然存在争议，即使它可能是DNA结构的最佳记录序列调制。我们在这里报告的结果比较理论和实验研究的弯曲动力学在35聚体DNA片段。这个长度看起来足够大，可以通过凝胶电泳区分曲率。两个DNA片段，具有相同的碱基对组成，但不同的序列进行比较。在第一个中，一个单一的A-道基序是四次重复的相位与螺旋螺丝，而第二个序列是“随机”。计算和实验都表明，A束DNA具有较大的静态曲率和弯曲动力学特性，表明计算结果与实验现象相一致。结果不太同意与早期的观点，归因于一个决定性的作用，在DNA弯曲的序列特异性碱基对堆叠或结合的溶剂抗衡离子，但提供额外的支持的假设的压缩沮丧状态的骨干作为静态曲率的主要物理原因。我们讨论了实验验证这一假设的可能途径。
2001-09-20 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
A-Tract Induced DNA Bending is A Local Non-Electrostatic Effect
由规则重复的腺嘌呤束（A束）在双螺旋B-DNA中诱导的宏观弯曲是一个长期已知的，但仍然无法解释的现象。这种效应在DNA研究中起着关键作用，因为它在可用实验信息的数量和种类上是独一无二的，因此，很可能成为通往基因组序列识别和调控的未知一般机制的大门。近年来的主流观点是，一般来说，DNA中的宏观弯曲是由磷酸基团之间的长程静电排斥引起的，当其中一些磷酸基团被邻近的外部电荷中和时。在A束的情况下，这可能是特异性结合的溶剂抗衡离子。在这里，我们报告有关分子动力学模拟，其中正确的静态曲率在DNA片段与相腺嘌呤束自发出现的条件下，任何作用的抗衡离子或远程静电效应可以被排除。
2000-02-04 physics.bio-ph q-bio.BM
Molecular Dynamics Studies of Sequence-directed Curvature in Bending Locus of Trypanosome Kinetoplast DNA
由规则重复的腺嘌呤束（A-tracts）在双螺旋B-DNA中诱导的宏观曲率在DNA的结构研究中起着特殊的作用，因为这种效应提供了序列特异性构象调制的最有据可查的例子。最近，一个新的假说，其物理起源已被提出，基于分子动力学模拟的结果，一个25-mer的片段与三个A-束相的螺旋螺杆。然而，它的序列在实验研究中从未遇到过，而是根据经验构建的，以便在特定的计算条件下最大限度地提高弯曲的幅度。在这里，我们报告了另一个25聚体B-DNA片段的类似调查的结果，现在有一个天然的碱基对序列中发现的一个微环DNA的弯曲位点。结果表明，静态曲率的一个相当大的幅度和稳定的方向走向小沟的A-道自发出现的条件下，不包括任何初始偏见，除了碱基对序列。这两个DNA片段的弯曲动力学的比较揭示了定性的相似性和有趣的差异。结果表明，在模拟中获得的A道诱导弯曲再现的自然现象，并验证了早期的结论，其可能的机制。
2000-04-20 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Stepwise bending of DNA by a single TATA-box Binding Protein
TATA盒结合蛋白（TBP）是所有三种真核RNA聚合酶所必需的，用于启动大多数启动子的转录。TBP识别、结合并弯曲DNA中称为"TATA盒“的启动子序列。我们目前的研究结果，个别酿酒酵母TBPs与含有TATA盒的单个DNA分子相互作用。使用视频显微镜，我们观察到的布朗运动的珠子栓由短的表面结合的DNA。当TBP结合并弯曲DNA时，DNA的构象发生变化，与未弯曲的DNA相比，拴系珠的布朗运动的幅度降低。我们检测到个人的结合和解离事件，并推导出动力学参数的过程。通过增加盐浓度或通过使用光镊直接拉动拴系的珠来诱导解离。除了明确定义的自由和束缚类的布朗运动，我们观察到另外两类运动。这些额外的类被确定为具有三步线性结合途径上的中间状态。讨论了中间态的生物学意义。
2006-03-07 physics.bio-ph q-bio.BM
Twist dominates bending in the liquid crystal organization of bacteriophage DNA
本研究结合冷冻电镜、液晶建模与纽结理论，发现噬菌体P4中DNA液晶相的扭转弹性远强于弯曲弹性，且该结论经Langevin动力学模拟的纽结分布实验验证，揭示了弹性、拓扑与基因组组织的一致性。
2025-10-06 cond-mat.soft q-bio.BM
Probing the elastic limit of DNA bending
细胞内的许多结构，如核小体和蛋白质介导的DNA环，都含有急剧弯曲的双链DNA。因此，强dsDNA弯曲的能量学构成了细胞热力学的重要组成部分。尽管蠕虫状链模型很好地描述了长dsDNA的热机械行为，但这种弹性行为的长度限制仍然存在争议。为了研究强dsDNA弯曲的能量学，我们使用荧光共振能量转移（FRET）测量轮廓长度为40-200 bp的小dsDNA环的打开速率。从测得的循环稳定性循环大小的关系，我们观察到两个独立的弯曲制度之间的过渡在一个临界循环大小低于100 bp。在此环路尺寸以上，环路寿命以与弹性弯曲应力一致的方式随着环路尺寸的减小而减小。然而，在临界环尺寸以下，环寿命对环尺寸变得不那么敏感，表明双螺旋软化。仅用钠测得临界环大小为约60 bp，用5 mM镁测得临界环大小为约100 bp，这表明镁促进软化转变。我们表明，我们的结果是在定量协议的扭结蠕虫状链模型。此外，我们的数据约束的模型参数可以重现先前测量的J因子之间的50和200 bp。我们的工作为研究dsDNA在强弯曲区的弯曲提供了强有力的手段。
2014-05-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Entropic Penalties in Circular DNA Assembly
采用一种新的路径积分计算方法，在实空间中处理稳定分子的基本力，研究了DNA环状分子的热力学性质。通过模拟一个广泛的扭曲构象合奏的碱基对和堆叠贡献的经典行动分别进行评估。我们得到，对于两个短序列，一个自由能景观与多个井对应的最方便的螺旋重复的值。我们的研究结果指出了一个固有的灵活性的圆形结构中的碱基对波动移动系统从一个井到下一个，从而导致当地的螺旋解旋。后者在较短的序列中更明显，其环化导致更高的弯曲应力。与形成的有序螺旋结构的熵减少估计。
2014-11-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Probing a label-free local bend in DNA by single-molecule Tethered Particle Motion
能够表征DNA局部弯曲对于彻底理解许多生物过程是必不可少的，因为它们涉及双螺旋轴的局部弯曲，无论是序列固有的还是由蛋白质结合引起的。开发一种不干扰DNA本身或DNA-蛋白质复合物构象的DNA弯曲角测量方法是一项具有挑战性的任务。在这里，我们提出了一个联合的理论实验高吞吐量的方法来严格测量这种弯曲角度，使用系留粒子运动（TPM）技术。通过仔细建模的TPM几何形状，我们提出了一个简单的公式的基础上扭结蠕虫状链模型提取的弯曲角度从TPM测量。使用由575个碱基对DNA与1至7个6A-束的同相组装体制成的构建体，我们发现序列CA 6CGG诱导19 [4] °的弯曲角。我们的方法是成功地比较理论上更复杂或实验侵入性的，如环化，NMR，FRET或AFM。我们进一步将我们的程序应用于文献中的TPM测量，并证明蛋白质诱导的弯曲角度，如整合宿主因子（IHF）也可以可靠地评估。
2015-04-29 cond-mat.soft q-bio.BM
Twisting and Bending Stress in DNA Minicircles
的弯曲的分子轴和出现在环状DNA分子中的中断之间的相互作用，与$\sim 100$碱基对，解决。研究了三种不同半径的AT和GC对含量几乎相等的微环。的DNA序列建模介观哈密顿描述的基本相互作用的螺旋在碱基对的水平，并纳入扭曲和弯曲的自由度。受阻解旋和气泡形成模式一致计算的路径积分方法，总结了大量的分子配置兼容的模型潜力。的路径合奏确定，作为温度的函数，通过最小化系统的自由能。由于分子骨架的弯曲，沿着螺旋出现波动开口以释放应力。与实验结果一致，碱基对断裂的概率较大，在最小的微环的\textit{66-bps}，其弯曲角为$\sim 6^{o} $。对于这种微环，螺旋重复在$τ=\,315K$处显示出阶梯状增加，从而获得相当大的解扭。该方法可以推广到确定开放端线性序列的气泡概率分布。
2014-03-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
DNA flexibility on short length scales probed by atomic force microscopy
最近有报道称，DNA在短长度尺度上具有异常高的弯曲柔性。我们使用原子力显微镜（AFM）的解决方案，以获得直接估计的DNA弯曲统计尺度下降到一个螺旋圈。DNA的行为似乎是高斯链，并且在超过3个螺旋圈（10.5纳米）的长度尺度上可以用蠕虫状链模型很好地描述。低于这个阈值，AFM数据表现出越来越多的噪音，因为实验的限制。这种噪声可能会隐藏高斯行为的小偏差，但它们几乎不可能是显著的。
2014-01-21 cond-mat.soft q-bio.BM
J-factors of short DNA molecules
短DNA序列的倾向，转换成圆形的形式进行了研究介观哈密顿方法，其中包括分子轴的弯曲和固有的扭曲的DNA链。相对于螺旋直径的碱基对波动被视为虚时间路径积分形式主义的路径轨迹。封闭分子子系综的配分函数是通过在径向涨落和角自由度上施加链端边界条件来计算的。环化概率，J-因子，被证明是高度敏感的堆积电位，主要是其非线性参数。我们发现J因子通常通过减少序列长度（N）而降低，并且更显著地，低于N = 100个碱基对。然而，即使对于非常小的分子，J因子仍然相当大，与最近的实验指示一致。相邻碱基对之间的大弯曲角和非谐堆积是短长度尺度下螺旋柔性的原因。
2016-06-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
DNA bending and "structural" waters in major and minor grooves of A-tracts. Monte Carlo computer simulations
为了阐明结构水在稳定弯曲DNA中可能的作用，用Monte Carlo模拟研究了含AT的十聚体（A5 T5）2和A10：T10的各种构象。双链体被限制为在两个温度下再现A束的NMR质子间距离：5 ℃和35 ℃。水壳结构的分析揭示了一方面槽宽与另一方面水合模式的类型及其概率之间的强相关性。根据小沟的宽度，在该沟中观察到以下模式：链间“水合脊柱”，或链间两水桥，或链内糖基“水弦”的双带。水化壳在大沟中的规则性比在小沟中的规则性差，这与晶体学数据相一致。如在先前的研究中，发现具有窄小沟和宽大沟（B '-样DNA）的A束构象具有能量有利的水合作用，已知其与DNA弯曲和曲率相关。此外，我们的计算表明，这种DNA构象的优势是加上腺嘌呤N7水合在大沟中的增加。由于大沟打开更宽，其水化壳通过与属于两个相邻腺嘌呤的三个亲水中心（两个N7原子和一个氨基质子H（N6））键合的能量有利的“三叉水”来富集。基于这些结果，我们认为，在大沟中形成的新的水合模式的因素之一，负责稳定的B '样构象的A-束在低温下在脱水剂的情况下，反过来导致强的固有曲率的DNA含有交替的A-束和“混合”GC丰富的序列。
2012-02-13 q-bio.BM q-bio.GN
Base-pair mismatch can destabilize small DNA loops through cooperative kinking
碱基对错配可以缓解高应变DNA分子中的机械应力，但它如何影响其动力学稳定性尚不清楚。使用单分子荧光共振能量转移（FRET），我们测量了有和没有碱基对错配的紧密弯曲的DNA环的寿命。令人惊讶的是，对于由可堆叠的粘性末端捕获的环，尽管降低了整体弯曲应力，但错配降低了环的寿命，并且当错配被放置在DNA中点时，降低最大。这些发现表明，碱基对错配通过称为合作扭结的变构机制将弯曲应力转移到环的相对侧。基于这一机制，我们提出了一个三态模型，解释了DNA环的热力学和动力学稳定性之间的明显二分法。
2019-01-02 physics.bio-ph q-bio.BM
Stretching An Anisotropic DNA
我们提出了一个微扰理论，以找到一个各向异性的DNA的外部张力的响应。结果表明，各向异性有一个非零，但很小的贡献力的延伸曲线的DNA。因此，各向异性DNA的行为类似于各向同性DNA，其有效弯曲常数等于其软弯曲常数和硬弯曲常数的调和平均。
2008-02-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
DNA-Protein Binding Rates: Bending Fluctuation and Hydrodynamic Coupling Effects
我们研究扩散粒子和半柔性聚合物上的靶位点之间的扩散限制反应，这是决定DNA-蛋白质结合和细胞骨架丝聚合动力学的关键因素。我们的理论集中在两个竞争的影响：聚合物的形状波动，这加快协会，和扩散颗粒和链之间的流体动力学耦合，这减慢协会。聚合物弯曲波动使用平均场动力学理论，而聚合物和颗粒之间的流体动力学耦合是通过一个简单的启发式近似。这两个我们验证通过比较与布朗动力学模拟。这两种效应都没有得到充分考虑之前在生物物理方面，我们表明，他们是必要的，以形成准确的估计反应过程。缔合速率取决于聚合物的刚度和颗粒尺寸，表现出最大的中间持久长度和最小的中间颗粒半径。在与DNA-蛋白质结合相关的参数范围内，与简单质心运动的Smoluchowski结果相比，速率增加高达100%。理论所作的定量预测可以通过实验来检验。
2010-11-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Length scale dependent elasticity in DNA from coarse-grained and all-atom models
DNA的力学性质通常由具有纯粹局部耦合的弹性理论（现场模型）来描述。我们讨论和分析粗粒度（oxDNA）和全原子模拟，这表明在DNA远端网站耦合。因此，非现场模型提供了对双螺旋结构的更真实的描述。我们发现，场外相互作用是负责的长度尺度依赖的弹性，我们开发了一个分析框架，以估计弯曲和扭转的持久性长度模型，包括这些相互作用。我们的模拟表明，场外耦合是特别强的某些自由度，而他们是非常弱的其他。如果使用从DNA数据获得的刚度参数，该理论预测大的长度尺度依赖的影响，扭转波动和弯曲波动，这是与实验一致的温和的效果。
2020-10-03 cond-mat.soft q-bio.BM
Structure and mechanical characterization of DNA i-motif nanowires by molecular dynamics simulation
利用分子动力学计算机模拟方法研究了DNA i基序纳米线的结构和力学性质。我们建立了长达230纳米的纳米线，基于重复的TC 5序列从晶体学数据，完全放松和平衡在水中。不寻常的堆叠的C*C+堆叠结构，形成由四个ssDNA链排列在一个插入的四聚体，在这里完全静态和动态的特点。通过应用拉伸，压缩和弯曲变形与转向分子动力学和伞形采样方法，我们提取的表观杨氏模量和弯曲模量的纳米线，以及估计的拉伸强度和持久长度。根据我们的研究结果，i基序纳米线与结构蛋白质有相似之处，就其拉伸刚度而言，但就其弯曲刚度而言，更接近核酸和柔性蛋白质。此外，由于其非常薄的截面，表观拉伸韧性接近金属。除了其尚未澄清的生物学意义，i-motif纳米线可能有资格作为有趣的候选人的纳米技术模板，由于这种出色的机械性能。
2013-07-01 physics.bio-ph q-bio.BM
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
Twist-bend coupling, twist waves and the shape of DNA loops
通过结合分析和数值计算，我们调查的最小能量形状的短DNA环约$100$碱基对（bp）。我们发现，在这些循环中的多余的扭曲密度振荡作为一个响应施加的弯曲应力，最近发现在DNA微环和核小体DNA中观察到的。这些扭曲振荡，这里称为扭曲波，是由于扭曲和弯曲变形之间的耦合，这又源于DNA大沟和小沟之间的不对称性。我们引入了一个简单的分析变分形状，再现确切的循环能量的第四个有效数字，是非常好的协议与粗粒度模拟得到的形状。最后，我们分析了室温下的回路动力学，并表明扭转波对热波动是鲁棒的。他们执行正常的扩散运动，其起源进行了简要讨论。
2019-08-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Flexibility of short DNA helices under mechanical stretching
本文用哈密顿模型研究了DNA短片段的柔性，该模型在碱基对水平上考虑了链间和链内力。通过计算分子轴上相邻碱基对之间的平均弯曲角，得到了一组均匀螺旋对外力的弹性响应。系综平均进行了超过室温平衡分布的碱基对分离和弯曲波动。的端到端的距离和持久性长度的分析表明，即使是短序列小于$100$碱基对保持一个显着的bendability归因于热波动的影响和扭结与大的弯曲角度。离散模型和蠕虫状链模型的结果之间的差异进行检查，指出后者的不足之处短长度尺度。
2016-06-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Twist-bend coupling and the statistical mechanics of the twistable worm-like chain model of DNA: perturbation theory and beyond
最简单的DNA力学模型将双螺旋描述为具有扭曲和弯曲弹性的连续杆。最近的工作已经讨论了一个很少研究的耦合$G$之间的扭曲和弯曲，已知的DNA双螺旋的凹槽不对称性引起的相关性。在这里，$G$的统计力学的长DNA分子受到施加的力和扭矩的影响进行了研究。本文提出了一种小扭弯耦合有效扭转刚度$C_\text{eff}$的摄动计算方法。我们发现，“裸”$G$是“屏蔽”的热波动，在这个意义上说，低力，长分子的有效自由能是一个模型与$G=0$，但与长波长的弯曲和扭曲的刚性，移位由$G$依赖量。使用自由波动的DNA的扭转和弯曲刚度的结果，我们展示了我们的微扰结果可以扩展到一个非微扰制度。这些结果与Monte Carlo“triad”和分子动力学“oxDNA”模型的数值计算非常吻合，其特征在于不同程度的粗粒化，验证微扰和非微扰分析。虽然我们的理论是在一般良好的定量协议与实验，预测的扭转刚度系统偏离实验数据，这表明有尚未表征的方面的DNA扭曲-拉伸力学有关的低力，长分子的机械响应，这是不被广泛使用的粗粒度模型捕获。
2019-04-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Getting DNA twist rigidity from single molecule experiments
我们利用弹性接触杆模型研究了单个超螺旋DNA分子的伸展与转动图。我们定量地再现了超螺旋响应的过扭曲的DNA，并利用实验数据，我们得到了估计的有效超螺旋半径和扭转刚度的B-DNA。我们发现，与弯曲刚度不同，DNA的扭转刚度似乎随着它所浸入的盐缓冲液的性质和浓度而变化很大。
2004-02-17 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Phase diagram of the ground states of DNA condensates
研究了具有广义局部弹性弯曲势的半柔性聚合物模型在不良溶剂中DNA基态的相图，该模型的非线性参数为$x$，有效的自吸引力促进压实. $x=1$对应于蠕虫状链模型。令人惊讶的是，相图以及基态之间的过渡线被发现是$x$的函数。该模型提供了一个简单的解释先前的实验和计算研究的结果，并作出预测的具体几何形状的基态。结果强调的影响，在宏观可观察尺度的微观弯曲能量的形式。
2015-12-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Mesoscopic models for DNA stretching under force: new results and comparison to experiments
B-DNA拉伸的单分子实验已经揭示了当增加外力时，一个或两个结构转变。它们的特征是DNA轮廓长度突然增加，弯曲刚度下降。有人提出，在60- 80 pN的力下，第一个转变是从B到S-DNA的转变，被视为拉伸的双链DNA，而在更强的力下，第二个转变是链剥离，导致单链DNA（ssDNA），类似于热变性。但由于实验条件，这两个转变可以重叠，例如对于poly（dA-dT）。本文采用耦合离散蠕虫链-伊辛模型，导出了解析公式.我们的模型考虑了弯曲刚度，链的离散性，线性和非线性（ssDNA）键拉伸。在力为零的极限下，该模型简化为我们已经建立的用于研究DNA热解链的耦合模型，与以前的变性曲线拟合参数值建立了联系。我们发现：（i）使用分析公式在纳牛顿范围内拟合ssDNA，仅具有三个自由参数，轮廓长度、弯曲模量和单体尺寸;（ii）仅通过选择0.2nm的单体尺寸，几乎比ssDNA核碱基长度小4倍，才可能在该力范围上令人惊讶地良好拟合;（iii）介观模型不能将B拟合到ssDNA（iv）在强作用力近似下，导出了适合于长DNA的B到S跃迁的解析公式，该公式与精确的转移矩阵计算结果非常吻合;（v）这个公式非常适合poly（dG-dC）和$λ$ -DNA力-延伸曲线，参数值一致;（vi）出现了一个连贯的图像，其中S到ssDNA的转换对碱基对序列比B到S的转换敏感得多。
2012-07-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Molecular Dynamics Studies of Changes in the DNA- Structure as Result of Interactions with Cisplatin
顺铂和d（CTCTG*G*TCTC）2双链体DNA在具有明确的抗衡离子和水分子的溶剂中的3 '-单官能加合物在纳秒时间尺度上用AMBER力场进行MD模拟。为了模拟Pt和5 '-鸟嘌呤-N7原子之间的键合，在MD期间逐渐增加作用在它们之间的力。在500-800 ps后，观察到单加合物（具有连接到一个鸟嘌呤-N7的顺铂残基的直链DNA）向总线加合物（其中Pt原子通过相邻鸟嘌呤的N7原子连接的弯曲DNA）的转化。在腭酸鸟嘌呤之间形成空腔并填充溶剂分子。中心碱基对的快速倾斜引发整个分子从线性构象到弯曲构象的缓慢转变。大约1000-1300 ps后，达到了稳定的结构，这与实验描述的结构非常相似。Pt-原子和第二鸟嘌呤的N7之间的吸引力在由加合物-加合物的形成引起的大的构象变化中起主要作用。X-N-Pt-N-扭转加速弯曲，但扭转力常数大于0.2 Kcal/mol导致碱基对内的氢键断裂。本研究是第一个动态模拟，演示了在实时规模这样一个大的构象扰动的DNA。
2011-07-20 q-bio.BM
Anisotropic Elastic Model for Short DNA Loops
利用能量最小化方法，在忽略熵效应的情况下，研究了弯曲各向异性对平面DNA环的影响。我们发现，各向异性的结果在多边形形状的循环和各向异性的增加，使边缘尖锐。计算这种环的能量可以让我们找到有效的持久长度作为硬刚度和软刚度的几何平均值，这与无约束长DNA的调和平均值有很大的不同。
2008-09-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft q-bio.BM
Twist-stretch profiles of DNA chains
螺旋分子在机械载荷的作用下改变其扭曲数。我们研究了一组由介观哈密顿量模拟的短DNA分子的扭曲-拉伸关系。有限温度路径积分技术被应用于产生一个大的合奏的可能的配置的碱基对的序列。该模型还考虑了沿分子堆叠的相邻碱基对之间的弯曲和扭曲波动。模拟了广泛的扭曲构象，我们计算的螺旋结构参数平均超过合奏的碱基对配置。对于任何施加的力，该方法选择使分子的自由能最小化的平均扭转角。据发现，链通常过扭曲下施加拉伸和过扭曲是物理上相关的平均螺旋直径的收缩，即阻尼的碱基对波动。相反，假设弯曲波动的最大幅度可能会随着外部载荷而减小，则DNA分子首先在弱作用力下过度扭曲，然后在特征力值以上解扭曲。我们的研究结果进行了讨论，虽然为千碱基长的分子的实验信息。
2017-09-17 cond-mat.soft 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
Insights into elastic properties of coarse-grained DNA models: q-stiffness of cgDNA vs. cgDNA+
本文利用傅里叶空间刚度矩阵方法对比了cgDNA与cgDNA+模型，发现cgDNA+能准确重现全原子模型的长尺度弹性，而cgDNA在长尺度扭曲刚度上存在显著偏差。
2024-01-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Role of Polymer Loops in DNA Replication
长分子中的环形成发生在自然界的许多地方，从碳纳米管的溶液到细胞内的聚合物。在这篇文章中，我们回顾了理论研究的静态和动态性能的聚合物环。例如，长聚合物必须搜索许多构型以找到“目标”结合位点，而短聚合物是刚性的并且抗弯曲。在这两者之间，有一个最佳的循环大小，它平衡了长循环的熵和短循环的能量成本。我们表明，这种简单的环形成的图片可以解释几个长期观察DNA复制，定量。
2003-09-22 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.OT
Stretching weakly bending filaments with spontaneous curvature in two dimensions
一些重要的生物分子（例如，细菌FtsZ和真核生物DNA）已知会抑制自发（固有）曲率。使用一个简单的扩展蠕虫状链模型，我们研究了一个弱弯曲的细丝在两个维度上施加在其两端的拉力的响应（一种常见的配置在经典的体外实验和相关的几个体内细胞的情况下）。这种链或细丝的自发曲率一般可以是弧长依赖的，我们研究了正弦变化的情况下，从任意的情况下，可以通过傅立叶变换重建。我们得到了力-伸展关系和横向涨落宽度的解析结果。我们发现，自发曲率波动可以影响力的延伸行为，即使在相对灵活的长丝的持续长度小于轮廓长度。
2010-03-24 cond-mat.soft q-bio.BM
Visualizing Poloidal Orientation in DNA Minicircles
本文提出一种单分子 AFM 方法，通过定位生物素标记的 NeutrAvidin 可视化 DNA 微环的极向取向，并结合粗粒化模拟证实不同序列具有不同的偏好极向取向。
2025-08-20 physics.bio-ph q-bio.BM
Short DNA persistence length in a mesoscopic helical model
通过计算二聚体之间的平均关联函数来研究短DNA链的柔性，该函数定义了持久长度。路径积分技术已被应用到限制相空间可用于碱基对波动，并推导出配分函数。一组短链的表观持续长度已被计算为扭曲构象的函数在过扭曲和无扭曲的制度，从而平衡扭曲自由能最小化选择。所获得的值显着低于那些通常归因于千碱基长的DNA。这表明，在短的长度尺度，从大的波动效应和局部弯曲所产生的内在螺旋的灵活性，符合最近的实验迹象。螺旋解旋和持久性长度之间的相互作用已被讨论了一个异质片段的序列特异性通过非线性堆积电位的影响进行权衡。
2018-09-29 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Effects of Kinks on DNA Elasticity
研究了具有可逆扭结结构缺陷的蠕虫状高分子链的弹性响应。这是一个通用的模型（a）双链DNA与某些蛋白质的结合诱导的急剧弯曲，和（b）在单链DNA的骨干trans-gauche旋转的影响。这个问题是解决了解析和数值推广众所周知的类比量子旋转器。在小的拉伸力制度，我们发现，由于扭结的存在，持续长度重整化。在相反的区域，对强拉伸的响应仅由裸持续长度决定，并由于“扭结的理想气体”而进行指数修正。在链条的高弯曲刚度的极限下，这种高力特性显著改变。在这种情况下，对机械响应的主要校正可能是由于多扭结结构（例如扭结对）的形成。
2005-02-28 cond-mat.soft q-bio.BM
Elastic Rod Model of a Supercoiled DNA Molecule
我们研究了超螺旋DNA分子的弹性行为。最简单的模型是杆状链，包括两个弹性常数，弯曲和扭转刚度。我们发现，这个模型是奇异的，需要一个小的距离截止，这是一个自然的长度尺度，给出了该模型的有效性的限制，双螺旋螺距的顺序。的棒状链的存在下的切断是能够定量地再现实验观察到的超螺旋的影响的拉伸力特性，在小超螺旋制度。一个精确的解决方案的模型，使用传递矩阵技术和它的映射到一个量子力学的问题，允许提取，从实验数据，扭转刚度的值。我们还分析了扭矩和扭曲的扭曲比与超螺旋的变化，分析显示存在一个相当尖锐的交叉制度，这可能与激发plectonemic样结构。最后，我们研究了拉伸和超螺旋DNA分子的延伸波动，无论是在固定的扭矩和在固定的超螺旋角，我们比较了一些初步的实验数据的理论预测。
2000-03-21 cond-mat q-bio.BM
Predicting Transcription Factor Specificity with All-Atom Models
转录因子（TF）与DNA操纵子位点的结合可以启动或抑制基因的表达。传统上，TF识别的位点的计算预测依赖于几个同源位点的知识，而不是从头开始的方法。在这里，我们研究了使用基于结构的能量计算的可能性，不需要结合位点的知识，而是从蛋白质-DNA复合物的结构开始。我们研究了PurRE。大肠杆菌TF，并探讨在何种程度上原子模型的蛋白质-DNA复合物可以用来区分同源和非同源DNA位点。特别强调的是，这种方法的系统评价，通过比较其性能与生物信息学方法，通过测试它对随机诱饵和网站的同源TF。我们还研究了DNA和蛋白质中的一组实验突变。使用我们明确的能量估计，我们表明，PurR的特异性主要是由直接的蛋白质-DNA相互作用，弱的DNA弯曲的影响。
2008-09-24 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
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
Theory and simulations of toroidal and rod-like structures in single-molecule DNA condensation
多价阳离子的DNA缩合在病毒和精子头部的基因组包装中起着至关重要的作用，并且已经使用单分子实验方法进行了广泛的研究。在这些实验中，临界凝聚力的值已被用来估计吸引的DNA-DNA相互作用的幅度。在这里，为了描述这些实验，我们开发了一个分析模型和一个刚体朗之万动力学分析，以调查与自相互作用的聚合物的行为，在存在的牵引力施加在其末端。我们使用成对的吸引力的潜力模型的自我相互作用，从而治疗反离子隐含。分析模型可以准确地预测环形和棒状凝聚结构的平衡结构，以及临界凝聚力对DNA长度的依赖性。我们发现临界凝聚力强烈地依赖于DNA的长度，并且有限尺寸效应对于长度达10^5 μm的分子是重要的。我们的朗之万动力学模拟表明，力的延伸行为的棒状结构是非常不同的环形的，所以它们的存在在实验中应该很容易检测。在双链DNA缩合实验中，杆状结构的存在的特征没有被明确地检测到，这表明用于缩合DNA的多胺可以保护它免于在杆状结构中需要时急剧弯曲
2015-04-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
DNA elasticity from coarse-grained simulations: the effect of groove asymmetry
众所周知，DNA在足够长的长度尺度上的许多物理性质可以通过简单的聚合物模型来理解。最广泛使用的DNA弹性模型之一是可扭曲蠕虫状链（TWLC），它将双螺旋描述为具有弯曲和扭转刚度的连续弹性杆。TWLC的一个扩展，最近受到了一些关注，是Marko和Siggia的模型，他们引入了一个额外的扭曲-弯曲耦合，预计会出现从凹槽的不对称性。通过对两种可用的oxDNA（一种粗粒度的核酸模型）进行计算机模拟，我们研究了扭曲-弯曲耦合的微观起源。我们发现，这种相互作用是可以忽略不计的oxDNA版本与对称的凹槽，而它出现在oxDNA版本与不对称的凹槽。我们的分析是基于平衡变形的协方差矩阵的计算，从中获得的刚度参数。从oxDNA模拟估计的扭转-弯曲耦合系数为$G=30\pm1$ ~nm。槽的不对称性导致了一个新的扭曲长度尺度和相关的重整化扭曲刚度$κ_{\rm t} \approx 80$ ~nm，这是不同于固有的扭转刚度$C \approx 110$ ~nm。这自然解释了在过去进行的固有刚度的实验估计的大的变化。
2017-06-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Extrinsic and intrinsic nucleosome positioning signals
在真核基因组中，核小体的功能是压缩DNA，并通过简单的物理封闭和提供大量共价表观遗传标签的底物来调节对DNA的访问。虽然体外核小体位置仅由序列决定，但体内与其他DNA结合因子的竞争和染色质重塑酶的作用需要量化。我们开发了一个生物物理模型的DNA弯曲能的序列依赖性，并验证了它对体外核小体形成的自由能和核小体晶体结构的集合，我们还成功地设计了强和弱的组蛋白结合序列从头开始。对于来自酿酒酵母的体内数据，最强的定位信号来自与其他因子的竞争。基于单独的序列，我们的模型预测，功能性转录因子结合位点有被核小体覆盖的趋势，但在体内未被覆盖，因为功能性位点聚集在单个核小体足迹内，使得转录因子协同结合。同样，当包含TATA结合蛋白时，裸DNA TATA区域核小体结合的微弱增强变成了强烈的耗尽，与实验定量一致。在特定位点的预测也大大提高了包括竞争因素。我们的物理接地模型区分基因组序列可以影响核小体位置的多种方式，从而为几个重要的实验结果提供了另一种解释。
2008-05-27 q-bio.BM q-bio.GN
Mechanical properties of Nucleic Acids and the non-local Twistable Wormlike Chain model
核酸的机械性质在许多生物过程中起着重要作用，这些生物过程通常涉及这些分子的物理变形。在足够长的长度尺度上（比如说在$\sim 20-30$碱基对以上），DNA和RNA双螺旋的力学是由均匀的可扭转蠕虫状链（TWLC）描述的，TWLC是一种以扭转和弯曲刚度为特征的半柔性聚合物模型。在较短的尺度下，该模型由于两个原因而崩溃：弹性特性变得依赖于序列，并且远端部位的机械变形变得耦合。在本文中，我们讨论了后者的效果使用的框架内的非本地TwistableWormlike链（nlTWLC）的起源。我们表明，通过比较DNA和RNA双螺旋的全原子模拟数据，在这两个分子的非本地耦合是非常相似的性质：远端站点之间的耦合是强倾斜和扭曲自由度和弱滚动。我们介绍并分析了一个简单的双链聚合物模型，阐明了这种普遍的远端耦合行为的起源。在这个模型中，被称为阶梯模型，nlTWLC描述出现从本地（原子）的自由度成角度变量，描述的扭曲和弯曲的分子的粗化。与其局部对应物不同，nlTWLC的特征在于长度尺度依赖的弹性。我们的分析预测，核酸在几个碱基对的尺度上是机械上较软的，并且在较长的长度尺度上是渐进地较硬的，这一行为与实验数据相匹配。
2022-08-11 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
The Storm and Nelson's model for polymer stretching revisited
最近分子生物学技术的兴起使得单分子操作实验成为可能，其中分子拉伸起着主要作用。为了更好地理解实验数据，人们迫切需要一些物理和数学模型来定量地表达所观察到的分子的力学性质。在本文中，我们重新考虑了一个简单的唯象模型，再现了张力下的单链和双链DNA的行为。这个问题很容易解决，无论是在小的力的范围内，并在存在过度拉伸过渡的空腔方法，使一些属性，如弯曲刚度和弹性的DNA出现在一个非常清楚的方式。我们的理论研究结果成功地适合于实际测量和比较蒙特卡罗模拟，确认质量的方法。
2011-01-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
